La tesis describe el diseño de un winche hidráulico de 8 toneladas para aplicaciones navales utilizando herramientas CAD/CAE. El winche puede almacenar 694 metros de cable de acero de 1 1/8 pulgadas y está accionado por un motor hidráulico y pistones controlados desde una consola. La tesis incluye cálculos y diseños de componentes como el tambor, eje principal, caja de transmisión, engranajes, rodamientos, sistema de freno y más. También presenta un análisis de elementos f

1. Sandoval, P. (2016). Diseño de winche hidráulico de 8 tm para aplicaciones navales con
tecnología CAD/CAE (Tesis de pregrado en Ingeniería Mecánico-Eléctrica). Universidad
de Piura. Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Mecánico-Eléctrica.
Piura, Perú.
DISEÑO DE WINCHE HIDRÁULICO
DE 8 TM PARA APLICACIONES
NAVALES CON TECNOLOGÍA
CAD/CAE
Gerardo Sandoval-Peralta
Piura, junio de 2016
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánico-Eléctrica

2. DISEÑO DE WINCHE HIDRÁULICO DE 8 TM PARA APLICACIONES NAVALES CON TECNOLOGÍA
CAD/CAE
Esta obra está bajo una licencia
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3. UNIVERSIDAD DE PIURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
“Diseño de winche hidráulico de 8 tm para aplicaciones navales con tecnología CAD/
CAE”
Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico Eléctrico
Gerardo Sandoval Peralta
Asesor: Dr. Ing Carlos Ojeda Díaz
Piura, Junio del 2016

4. ii
Dedicatoria
A mis familiares, en especial a mis padres, a mi esposa y a mi hijo Benjamín, quienes son los
que me apoyan y el motivo principal para esforzarme a cumplir mis objetivos.

5. iii
Prólogo
Uno de los mayores avances en la tecnología de la industria naval durante los últimos años ha
sido el uso de la hidráulica en equipos a bordo. Los equipos hidráulicos han permitido realizar
operaciones en forma más fácil y rápida.
Desde el momento en que se decide insertar equipos hidráulicos en la industria naval, existen
un cierto número de personas que se ven implicadas en el caso; primero es el dueño de la
embarcación que debe saber lo que ha de comprar siendo asesorado por el personal implicado
en la operación del equipo, seguidamente está el taller que deberá realizar la instalación del
equipo en la ubicación más estratégica de la embarcación, el tercero implicado será el propio
personal operador que deberá operar el equipo dentro de los parámetros establecidos y por
último está el personal de mantenimiento que cuidará y pondrá a punto el equipo cuando surja
algún problema.
Para todos ellos, incluido el diseñador y el fabricante del equipo hidráulico, se ha realizado
esta tesis teniendo en cuenta primordialmente la aplicación específica del equipo, esta tesis es
desarrollada para un winche hidráulico que puede tener entre sus aplicaciones: levantar y
lanzar el ancla de una naviera, remolcar una embarcación, transportar objetos de gran peso en
forma vertical, realizar el tendido de cables, posicionar naves en un astillero, transportar
personas, transporte de tolvas en mina, etc.
En la industria existen fabricantes de winches hidráulicos de muy buena calidad, este trabajo
de tesis muestra los conceptos de las principales partes del winche considerando un diseño
propio, con este trabajo el profesional podrá seleccionar dentro del mercado el equipo que
esté próximo a cumplir sus requerimientos de trabajo o estar en la capacidad de diseñar un
equipo que pueda satisfacer sus necesidades por completo teniendo como principales puntos
en el diseño, el bajo costo en su fabricación, el bajo costo en el mantenimiento, montaje y la
robustez del mismo capaz de soportar las inclemencias de un ambiente tan agresivo como el
mar.

6. iv
Resumen
El presente trabajo de tesis muestra el cálculo, diseño y pautas para la fabricación de un
winche hidráulico de 8 tm de capacidad nominal usando como soporte las herramientas
CAD/CAE. Con estas herramientas podremos calcular en forma rápida algunos componentes,
obtener los gráficos del análisis de esfuerzos, análisis de deformaciones y análisis de factores
de seguridad a lo largo de toda la pieza o del equipo en conjunto, además de la elaboración de
modelos en 3D, planos y la simulación del funcionamiento en video.
El winche cuenta con una capacidad nominal de 8tm y con una capacidad máxima de 13 tm,
está diseñado para almacenar 694 metros de cable de acero de 1 1/8”. El winche cuenta los
siguientes sistemas:
 Sistema de “encroche” o embrague: Sirve para acoplar la transmisión al tambor o
carrete de manera que se transmita el torque necesario para realizar el trabajo.
 Sistema de “trinquete”: Sirve para bloquear el movimiento del tambor o carrete en
una determinada dirección.
 Sistema de “freno”. Sirve para frenar el tambor o carrete durante alguna
eventualidad.
Los sistemas mencionados son accionados por pistones hidráulicos de doble efecto
controlados desde una consola de mandos. El winche cuenta con una caja de engranajes o
caja de transmisión acoplada a su estructura. La caja de transmisión es accionada por un
motor hidráulico de pistones radiales que trabaja con una presión de 2,500psi y un caudal de
34.2gpm.
El winche es accionado desde una consola de mandos ubicada en el propio winche, los
mandos son válvulas direccionales que controlan el motor hidráulico y los pistones
hidráulicos quienes reciben el caudal y la presión de la unidad hidráulica. Se considera que
todos estos componentes forman parte importante del winche por lo tanto se muestra en este
trabajo el cálculo, diseño y pautas para la fabricación de la unidad hidráulica. La unidad
hidráulica está formada por los siguientes componentes:
 Tanque hidráulico con capacidad de 60gln.
 Bomba doble de paletas de desplazamiento fijo con capacidades a 1800rpm de
31.2gpm destinada para accionar el winche y 3gpm para accionar los pistones.
 Motor eléctrico de 75hp de potencia para accionar la bomba doble.
 Válvulas, tuberías y accesorios para el funcionamiento de los equipos.
 Estructura para unificar los componentes.

7. v
Índice General
Dedicatoria...................................................................................................................................ii
Prólogo....................................................................................................................................... iii
Resumen .....................................................................................................................................iv
Índice General..............................................................................................................................v
Lista de figuras. ..........................................................................................................................ix
Lista de Tablas......................................................................................................................... xiii
Introducción.................................................................................................................................1
Capítulo I. Estudio del arte.........................................................................................................3
1.1. Comparación de los winches convencionales con winches hidráulicos ...................................4
1.2. Experiencia desarrollada en el diseño y fabricación de winches..............................................4
1.3. Ventajas de usar un Winche Hidráulico en aplicaciones navales.............................................7
1.4. Desventajas de usar un Winche Hidráulico en aplicaciones navales........................................8
Capítulo II. Descripción y sistemas de un winche hidráulico ....................................................9
2.1. Memoria descriptiva del winche..............................................................................................9
2.2. Glosario de términos..............................................................................................................10
2.3. Descripción de cada componente ..........................................................................................11
2.3.1. Tambor o carrete............................................................................................................11
2.3.2. Eje principal ..................................................................................................................12
2.3.3. Casco o estructura del winche .......................................................................................12
2.3.4. Pistones hidráulicos de doble efecto para accionamiento ..............................................13
2.3.5. Motor hidráulico principal.............................................................................................14
2.3.6. Unidad hidráulica ..........................................................................................................14
2.3.7. Consola de mandos........................................................................................................15
2.4. Descripción de sistemas ........................................................................................................16
2.4.1. Sistema motriz...............................................................................................................16
2.4.2. Sistema de encroche o embrague...................................................................................16
2.4.3. Sistema de freno ............................................................................................................17
2.4.4. Sistema de trinquete.......................................................................................................18
2.5. Referencia normativa aplicable .............................................................................................18
2.6. Consideraciones para montaje y mantenimiento....................................................................19
2.6.1. Consideraciones para el montaje ...................................................................................19
2.6.2. Consideraciones para el mantenimiento.........................................................................19
Capítulo III. Diseño mecánico del winche hidráulico ..............................................................21
3.1. Cálculo del tambor según cable y capacidad de almacenamiento ..........................................21
3.2. Cálculo de eje principal .........................................................................................................23
3.2.1. Cálculo del torque..........................................................................................................23
3.2.2. Cálculo del diagrama de esfuerzos, cortante y momento ...............................................24
3.2.3. Efectos de carga.............................................................................................................30
3.2.4. Efectos dimensionales ...................................................................................................30
3.2.5. Efectos superficiales......................................................................................................31
3.2.6. Efectos por temperatura.................................................................................................32
3.2.7. Confiabilidad.................................................................................................................32
3.2.8. Muescas y concentraciones de esfuerzos .......................................................................33
3.2.9. Sensibilidad a las muescas (q) .......................................................................................33
3.2.10. Cálculo del diámetro en el punto “e” .............................................................................36

8. vi
3.2.11. Cálculo del diámetro en el punto “x”.............................................................................37
3.2.12. Cálculo del diámetro en el punto “d”.............................................................................37
3.2.13. Cálculo del diámetro en el punto “c” .............................................................................38
3.2.14. Cálculo del diámetro en el punto “B” ............................................................................38
3.3. Cálculo de estriado en eje principal.......................................................................................39
3.4. Cálculo y diseño de la estructura y base del winche ..............................................................41
3.4.1. Diseño de la caja de transmisión....................................................................................41
3.4.2. Diseño de tapa de la caja de transmisión .......................................................................44
3.4.3. Cálculo de elementos de sujeción en la tapa de la caja de transmisión ..........................45
3.4.4. Diseño de lateral de apoyo.............................................................................................50
3.4.5. Diseño de la tapa del lateral de apoyo............................................................................51
3.4.6. Cálculo de los elementos de sujeción en la tapa del lateral de apoyo.............................52
3.4.7. Base del winche.............................................................................................................54
3.5. Cálculo de los trenes de engranajes para la transmisión del winche .....................................54
3.5.1. Cálculo del primer tren de engranajes............................................................................54
3.5.2. Cálculo de chaveta para el eje piñón del primer tren de engranajes...............................59
3.5.3. Cálculo de chaveta para el engranaje intermedio del primer tren de engranajes ............60
3.5.4. Cálculo del segundo tren de engranajes.........................................................................62
3.5.5. Chaveta para el piñón intermedio del segundo tren de engranajes.................................65
3.5.6. Cálculo de chaveta para el engranaje de salida del segundo tren de engranajes.............66
3.5.7. Aceite para la caja de transmisión .................................................................................67
3.6. Cálculo de rodamientos .........................................................................................................69
3.6.1. Cálculo y selección de rodamiento en el punto “f”........................................................70
3.6.2. Cálculo y selección de rodamiento en el punto “e”........................................................72
3.6.3. Cálculo y selección de rodamiento en el punto “d” .......................................................74
3.6.4. Cálculo y selección de rodamiento en el punto “c”........................................................76
3.6.5. Cálculo y selección de rodamiento en el punto “a”........................................................78
3.6.6. Cálculo y selección de rodamiento en el punto “AA”....................................................80
3.7. Cálculo y selección del motor hidráulico...............................................................................83
3.7.1. Cálculo del torque entregado por motor hidráulico........................................................83
3.7.2. Cálculo de velocidad de rotación en el motor hidráulico ...............................................84
3.7.3. Selección de motor hidráulico según catálogo SAI........................................................85
3.8. Cálculo y diseño del sistema de freno del winche .................................................................86
3.8.1. Cálculo de las fuerzas y el ancho de la faja de freno......................................................88
3.8.2. Cálculo de estriado de eje de freno ................................................................................90
3.9. Cálculo y diseño del sistema de trinquete del winche............................................................92
3.10. Cálculo y diseño de sistema de encroche o embrague .......................................................96
3.11. Cálculo y diseño de pistones hidráulicos de doble efecto para accionamientos de los
sistemas del winche...........................................................................................................................99
3.11.1. Ensamble vástago- émbolo..........................................................................................100
3.11.2. Ensamble tapa fija- cilindro de pistón..........................................................................103
3.11.3. Ensamble tapa de pistón – sellos hidráulicos...............................................................104
3.11.4. Ensamble total del pistón.............................................................................................108
3.11.5. Codificación del pistón hidráulico de doble efecto ......................................................109
3.12. Cálculo y selección de bomba hidráulica.........................................................................110
3.13. Cálculo y diseño del tanque hidráulico ............................................................................113
3.14. Cálculo y diseño de la unidad hidráulica para el winche .................................................115

9. vii
3.14.1. Cálculo y selección de motor eléctrico ........................................................................116
3.14.2. Diseño del sistema de acoplamiento entre la bomba doble y el motor eléctrico ..........117
3.14.3. Diseño de la base estructural para la unidad hidráulica................................................119
3.14.4. Selección de las válvulas de alivio para la unidad hidráulica.......................................119
3.14.5. Selección de los filtros para el tanque hidráulico.........................................................120
3.14.6. Accesorios del tanque hidráulico .................................................................................121
3.14.7. Codificación de la unidad hidráulica ...........................................................................122
3.15. Consola de control del winche y circuito hidráulico........................................................123
3.15.1. Circuito hidráulico del sistema ....................................................................................126
3.15.2. Codificación del winche ..............................................................................................126
Capítulo IV. Análisis por elementos finitos ...........................................................................129
4.1. Análisis del eje principal del winche ...................................................................................129
4.1.1. Resultados de tensiones en el eje principal (Von Mises) .............................................130
4.1.2. Verificación del diseño del eje principal (Von Mises).................................................131
4.2. Análisis de la caja de transmisión del winche......................................................................132
4.2.1. Resultados de tensiones de la caja de transmisión (Von Mises) ..................................133
4.2.2. Verificación del diseño de la caja de transmisión (Von Mises) ...................................134
4.3. Análisis del lateral de apoyo................................................................................................134
4.3.1. Resultados de tensiones del lateral de apoyo (Von Mises)..........................................135
4.3.2. Verificación del diseño del lateral de apoyo (Von Mises) ...........................................136
4.4. Análisis del trinquete...........................................................................................................136
4.4.1. Resultados de tensiones en el trinquete (Von Mises)..................................................137
4.4.2. Verificación del diseño del trinquete (Von Mises) ......................................................138
4.5. Análisis de la masa móvil de encroche ................................................................................138
4.5.1. Resultados de tensiones de la masa móvil de encroche (Von Mises)..........................139
4.5.2. Verificación del diseño de la masa móvil de encroche (Von Mises)............................140
Conclusiones............................................................................................................................141
Bibliografía..............................................................................................................................143
Anexos.....................................................................................................................................144
A. Hoja técnica de planchas de acero........................................................................................A
B. Hoja técnica de tubos de acero..............................................................................................B
C. Hoja técnica de acero AISI 1020 ..........................................................................................C
D. Hoja técnica de acero AISI 4340..........................................................................................D
E. Hoja técnica de acero AISI 1045 .......................................................................................... E
F. Reporte de cálculo del estriado del eje principal....................................................................F
G. Reporte de cálculo de pernos de tapa de transmisión...........................................................G
H. Reporte del cálculo de pernos de la tapa del lateral de apoyo ..............................................H
I. Hoja técnica de viga W8X31-ASTM A36 .............................................................................. I
J. Reporte de cálculo del primer tren de engranajes................................................................... J
K. Hoja técnica de acero AISI 3215..........................................................................................K
L. Reporte del cálculo de chaveta para eje piñón...................................................................... L
M. Reporte del cálculo de chaveta para engranaje intermedio................................................. M
N. Reporte del cálculo del segundo tren de engranajes.............................................................N
O. Reporte del cálculo de chaveta para engranaje de salida......................................................O
P. Hoja técnica de Woven Crisotilo............................................................................................P
Q. Reporte del cálculo del estriado del eje de freno..................................................................Q
R. Hoja técnica del SAE 65.......................................................................................................R

10. viii
S. Hoja técnica del tubo ST52-3.................................................................................................S
T. Hoja técnica de aceites industriales....................................................................................... T
U. Catálogo de motores trifásicos SIEMMENS........................................................................U
V. Hoja técnica de ángulo estructural........................................................................................V
W. Catálogo de válvulas de alivio YUNKEN ..........................................................................W
X. Catálogo de válvulas SUN HYDRAULICS.........................................................................X
Y. Catálogo de cuerpos para válvulas SUN HYDRAULICS....................................................Y
Z. Catálogo de filtros de succión SOFIMA............................................................................... Z
AA. Catálogo de filtros de retorno SOFIMA .........................................................................AA
BB. Catálogo de accesorios TM - SOFIMA........................................................................... BB
CC. Catálogo de indicadores de nivel HYDAC ..................................................................... CC
DD. Circuito hidráulico..........................................................................................................DD
EE. Códigos para serie de winche ...........................................................................................EE
FF. Procura .............................................................................................................................. FF
GG. Planos..............................................................................................................................GG
HH. Videos.............................................................................................................................HH

11. ix
Lista de figuras.
Figura 1. Winche hidráulico de ancla con barbotín.....................................................................5
Figura 2. Winche hidráulico de ancla con tambor.......................................................................5
Figura 3. Winche hidráulico remolcador con guía cable.............................................................6
Figura 4. Winche de combustión para deportes extremos...........................................................6
Figura 5. Winche hidráulico multipropósito................................................................................7
Figura 6. Tambor o carrete del winche......................................................................................11
Figura 7. Eje principal del winche.............................................................................................12
Figura 8. Casco o estructura del winche....................................................................................13
Figura 9. Pistón de doble efecto para accionamiento. ...............................................................13
Figura 10. Motor hidráulico de pistones radiales SAI...............................................................14
Figura 11. Unidad hidráulica para el winche.............................................................................15
Figura 12. Consola para mandos del winche.............................................................................15
Figura 13. Sistema de transmisión del winche. .........................................................................16
Figura 14. Sistema de encroche o embrague. ............................................................................17
Figura 15. Sistema de freno de winche......................................................................................17
Figura 16. Sistema de trinquete de winche................................................................................18
Figura 17. Tambor esquemático para el winche. Tabla 1. Dimensiones del tambor o carrete..21
Figura 18. Vista en sección del carrete o tambor. .....................................................................23
Figura 19. Vista en sección de eje principal con medidas en metros. .......................................23
Figura 20. Fuerzas y reacciones sobre el eje principal..............................................................25
Figura 21. Magnitud del par de torsión en kNm a lo largo del eje principal.............................27
Figura 22. Diagrama de fuerzas y reacciones (kN) en el plano yz a lo largo del eje principal. 27
Figura 23. Diagrama de corte (kN) en el plano yz a lo largo del eje principal. ........................28
Figura 24. Diagrama de momentos (kNm) en el plano yz a lo largo del eje principal..............28
Figura 25. Diagrama de fuerzas y reacciones (kN) en el plano xz a lo largo del eje principal. 28
Figura 26. Diagrama de corte (kN) en el plano xz a lo largo del eje principal. ........................29
Figura 27. Diagrama de momentos (kNm) en el plano xz a lo largo del eje principal..............29
Figura 28. Ecuación de Shigley y Mitchell para factores de tamaño. .......................................30
Figura 29. Gráfica de Juvinall para determinar el factor superficial.........................................31
Figura 30. Ecuación de Shigley y Mitchell para factores de temperatura.................................32
Figura 31. Curva de sensibilidad de muesca para aceros. .........................................................34
Figura 32. Diagrama de factores de concentración de esfuerzo teórico Kt (flexión)................34
Figura 33. Diagrama de factores de concentración de esfuerzo teórico Kts (torsión)...............35
Figura 34. Variación del factor de concentración de esfuerzos medio con el esfuerzo máximo.
...................................................................................................................................................37
Figura 35. Dimensiones en milímetros de los diámetros del eje principal................................39
Figura 36. Resultados del cálculo de estriado del eje principal.................................................40
Figura 37. Perfil de dientes y simulación de engrane del estriado de eje principal...................40
Figura 38. Principales medidas de la caja de transmisión en vista lateral.................................42
Figura 39. Ubicación de la bandeja para aceite.........................................................................43
Figura 40. Principales medidas de la caja de transmisión en vista frontal. ...............................43
Figura 41. Vista isométrico de la caja de transmisión...............................................................44
Figura 42. Vista seccionada de componentes en las masas del eje. ..........................................44
Figura 43. Tapa de la caja de transmisión. ................................................................................45
Figura 44. Vista transparente de la tapa de la caja de transmisión............................................45

12. x
Figura 45. Fuerzas en el eje principal que actúan en la tapa de la caja de transmisión.............45
Figura 46. Sentido de fuerzas para los datos de entrada en el software. ...................................46
Figura 47. Arreglo matricial de pernos en la tapa de la caja de transmisión.............................49
Figura 48. Ensamble y arreglo de un perno...............................................................................49
Figura 49. Resultados del cálculo para los pernos de la tapa de la caja de transmisión............49
Figura 50. Gráficas de esfuerzos en los pernos de la tapa de la caja de transmisión. ...............50
Figura 51. Lateral de apoyo- vista en isométrico. .....................................................................51
Figura 52. Medidas en calderería de la tapa del lateral de apoyo..............................................52
Figura 53. Resultados del cálculo de los pernos para la tapa del lateral de apoyo....................53
Figura 54. Gráficas de esfuerzos en los pernos de la tapa del lateral de apoyo. .......................53
Figura 55. Base del winche........................................................................................................54
Figura 56. Perfil de dientes corregidos y no corregidos............................................................55
Figura 57. Resultados del cálculo del primer tren de engranajes. .............................................56
Figura 58. Engrane de sistema del primer tren de engranajes...................................................57
Figura 59. Medidas del eje piñón del primer tren de engranajes...............................................58
Figura 60. Medidas del engranaje intermedio del primer tren de engranajes............................59
Figura 61. Dimensiones de la chaveta para eje piñón del primer tren de engranajes................60
Figura 62. Resultados del cálculo para la chaveta del eje piñón del primer tren de engranajes.
...................................................................................................................................................60
Figura 63. Dimensiones de la chaveta para engranaje intermedio del primer tren de engranajes.
...................................................................................................................................................61
Figura 64. Resultados del cálculo de la chaveta para el engranaje intermedio del primer tren de
engranajes..................................................................................................................................61
Figura 65. Resultados del cálculo del segundo tren de engranajes. ..........................................62
Figura 66. Engrane del sistema del segundo tren de engranajes. ..............................................63
Figura 67. Medidas del piñón intermedio del segundo tren de engranajes. ..............................64
Figura 68. Medidas del engranaje de salida del segundo tren de engranajes. ...........................65
Figura 69. Montaje del piñón intermedio y el engranaje intermedio. .......................................65
Figura 70. Vista explosionada del montaje de los engranajes intermedios. ..............................66
Figura 71. Dimensiones de la chaveta para engranaje de salida del segundo tren de engranajes.
...................................................................................................................................................67
Figura 72. Resultados de la chaveta para engranaje de salida del segundo tren de engranajes.67
Figura 73. Nivel de aceite en la caja de transmisión - vista en isométrico................................68
Figura 74. Volumen total de aceite calculado por CAD............................................................68
Figura 75. Fuerzas sobre los rodamientos en el eje principal....................................................69
Figura 76. Posibles rodamientos en el punto “f” - Catálogo SKF 2005....................................71
Figura 77. Cálculo de rodamiento en “f” por KISSsoft.............................................................72
Figura 78. Posibles rodamientos en el punto “e” - Catálogo SKF 2005. ..................................73
Figura 79. Cálculo de rodamiento en “e” por KISSsoft. ...........................................................74
Figura 80. Posibles rodamientos en el punto “d” - Catálogo SKF 2005. ..................................75
Figura 81. Cálculo de rodamiento en “d” por KISSsoft. ...........................................................76
Figura 82. Posibles rodamientos en el punto “c”- Catálogo SKF 2005. ...................................77
Figura 83. Cálculo de rodamiento en “c” por KISSsoft. ...........................................................78
Figura 84. Posibles rodamientos en el punto “a” - Catálogo SKF 2005. ..................................79
Figura 85. Cálculo de rodamiento en “a” por KISSsoft. ...........................................................80
Figura 86. Ubicación del punto “AA”. ......................................................................................81
Figura 87. Cálculo de las reacciones en el contra eje usando KISSsoft....................................81

13. xi
Figura 88. Posibles rodamientos en el punto “AA” - Catálogo SKF 2005. ..............................82
Figura 89. Cálculo de rodamiento en “AA” por KISSsoft. .......................................................83
Figura 90. Características de los motores hidráulicos serie GM2. ............................................85
Figura 91. Freno de cinta...........................................................................................................87
Figura 92. Sistema de freno de winche – faja de freno. ............................................................87
Figura 93. Sistema de freno de winche - accionamientos. ........................................................88
Figura 94. Radio y ángulo de faja de freno. ..............................................................................89
Figura 95. Fuerzas en la leva de freno.......................................................................................90
Figura 96. Distancias de la palanca de freno.............................................................................90
Figura 97. Resultados del cálculo del estriado del eje de freno. ...............................................91
Figura 98. Engrane del sistema del estriado del eje de freno. ...................................................91
Figura 99. Bloqueo del trinquete – sistema activado.................................................................93
Figura 100. Desbloqueo del trinquete – sistema desactivado....................................................94
Figura 101. Medidas de dientes en el trinquete.........................................................................94
Figura 102. Partes del sistema de encroche o embrague del winche.........................................97
Figura 103. Activación del sistema de encroche - acoplamiento del embrague........................97
Figura 104. Desactivación del sistema de encroche - desacoplamiento del embrague. ............97
Figura 105. Medidas de la masa móvil del sistema de encroche...............................................98
Figura 106. Principales partes exteriores del pistón hidráulico de doble efecto. ....................100
Figura 107. Vista en sección - Principales partes interiores del pistón hidráulico de doble
efecto. ......................................................................................................................................100
Figura 108. Junta de pistón compacta tipo K18 marca KASTAS. ..........................................101
Figura 109. Selección del sello K18-040-030/1......................................................................101
Figura 110. Dimensiones del alojamiento y selección de o-ring KO-0190025I. ....................102
Figura 111. Ensamble vástago - émbolo .................................................................................102
Figura 112. Vista en sección de los componentes del émbolo. ...............................................103
Figura 113. Vista en sección y explosionada del ensamble de vástago-émbolo. ....................103
Figura 114. Dimensiones de alojamiento y selección de o-ring KO-0450025I. .....................103
Figura 115. Ensamble cilindro de pistón - tapa fija.................................................................104
Figura 116. Vista en sección del ensamble tapa fija-cilindro de pistón. .................................104
Figura 117. Rascador o limpiador tipo K06 marca Kastas......................................................105
Figura 118. Selección de wiper K06-25. .................................................................................105
Figura 119. Reten o junta de vástago tipo K33 marca Kastas.................................................106
Figura 120. Selección de junta de vástago o reten K33-025 PU. ............................................106
Figura 121. Dimensiones de alojamiento y selección de o-ring KO-0570040I. .....................106
Figura 122. Tapa de pistón. .....................................................................................................107
Figura 123. Vista en sección de tapa de pistón con sus componentes.....................................107
Figura 124. Vista en sección y explosionada de la tapa de pistón y los sellos hidráulicos. ....108
Figura 125. Despiece del ensamble general del pistón............................................................109
Figura 126. Codificación del pistón según modelo.................................................................109
Figura 127. Codificación del pistón según serie......................................................................109
Figura 128. Curvas del cartucho A03-24.................................................................................112
Figura 129. Curvas del cartucho A01-02.................................................................................112
Figura 130. Bomba doble marca B&C modelo BQ31G2402CC11. .......................................113
Figura 131. Tanque lleno de aceite..........................................................................................114
Figura 132. Tanque hidráulico y sus principales partes en general.........................................115
Figura 133. Principales elementos de la unidad hidráulica. ....................................................116

14. xii
Figura 134. Principales elementos del tanque hidráulico en detalle........................................116
Figura 135. Vista en sección de los componentes del sistema de acoplamiento.....................117
Figura 136. Sistema de acoplamiento instalado. .....................................................................117
Figura 137. Acople bomba-motor – vista en sección..............................................................118
Figura 138. Cuello bomba-motor - vista en sección................................................................118
Figura 139. Ensamble del sistema de acoplamiento - vista explosionada...............................119
Figura 140. Base estructural para la unidad hidráulica. ..........................................................119
Figura 141. Filtros del tanque hidráulico.................................................................................120
Figura 142. Dirección de los fluidos en las válvulas...............................................................122
Figura 143. Fotografía de unidad hidráulica real y vista en software. ....................................122
Figura 144. Codificación de la unidad hidráulica....................................................................123
Figura 145. Codificación de la unidad hidráulica según serie.................................................123
Figura 146. Principales características de la válvula HC-D12. ...............................................124
Figura 147. Conexiones de la válvula HC-D12.......................................................................124
Figura 148. Válvula direccional HC-D12................................................................................124
Figura 149. Principales características de la válvula VM100-3. .............................................125
Figura 150. Principales medidas de la válvula direcciona VM100-3......................................125
Figura 151. Consola de control instalada en el winche...........................................................126
Figura 152. Codificación del winche.......................................................................................126
Figura 153. Codificación del winche según serie....................................................................127
Figura 154. Fotos reales del winche terminado.......................................................................127
Figura 155. Foto del winche en CAD y foto real del winche..................................................128
Figura 156. Fuerzas y momentos en el eje principal. ..............................................................129
Figura 157. Restricciones, fuerzas y momentos en el modelo 3D – eje principal...................130
Figura 158. Resultado de los esfuerzos por tensión – eje principal (Von Mises). ..................131
Figura 159. Resultados de la verificación del diseño – eje principal (Von Mises - tensión). .132
Figura 160. Restricciones y fuerzas en el modelo 3D de la caja de transmisión.....................133
Figura 161. Resultado de los esfuerzos por tensión en la caja de transmisión ( .....................133
Figura 162. Resultados de la verificación del diseño de la caja de transmisión (Von Mises -
tensión). ...................................................................................................................................134
Figura 163. Restricciones y fuerzas en el modelo 3D del lateral de apoyo.............................135
Figura 164. Resultado de los esfuerzos por tensión en el lateral de apoyo (Von Mises). .......135
Figura 165. Resultados de la verificación del diseño del lateral de apoyo (Von Mises -
tensión). ...................................................................................................................................136
Figura 166. Restricciones y fuerzas en el modelo 3D del trinquete........................................137
Figura 167. Resultado de los esfuerzos por tensión en el trinquete (Von Mises). ..................137
Figura 168. Resultados de la verificación del diseño del trinquete (Von Mises - tensión).....138
Figura 169. Restricciones y fuerzas en el modelo 3D de la masa móvil del encroche............139
Figura 170. Resultado de los esfuerzos por tensión de la masa móvil de encroche (Von Mises).
.................................................................................................................................................139
Figura 171. Resultados de la verificación del diseño de la masa móvil de encroche (Von Mises
- tensión)..................................................................................................................................140

15. xiii
Lista de Tablas
Figura 17. Tambor esquemático para el winche. Tabla 1. Dimensiones del tambor o carrete..21
Tabla 2. Velocidad del tambor o carrete....................................................................................22
Tabla 3. Factores de confiabilidad.............................................................................................32
Tabla 4. Datos para la fabricación del estriado en el eje principal (árbol)................................41
Tabla 5. Datos para la fabricación del estriado en la masa móvil (cubo).................................41
Tabla 6. Características de perno según grado – Norma SAE J429-H......................................46
Tabla 7. Dimensiones de perno cabeza hexagonal tipo pesada – Norma ASME B18.2.1: 1996.
...................................................................................................................................................47
Tabla 8. Dimensiones de tuerca según norma ASME B18.2.1:1987 (Heavy Hexagonal Nuts).
...................................................................................................................................................47
Tabla 9. Dimensiones de arandela según norma ANSI B18.21.1-1999....................................48
Tabla 10. Acabados superficiales según DIN 140.....................................................................48
Tabla 11. Datos para fabricación del eje piñón del primer tren de engranajes..........................57
Tabla 12. Datos para fabricación del engranaje intermedio del primer tren de engranajes. ....58
Tabla 13. Datos para la fabricación del piñón intermedio del segundo tren de engranajes. ....63
Tabla 14. Datos para la fabricación del engranaje de salida del segundo tren de engranajes. .64
Tabla 15. Reacciones sobre los rodamientos del eje principal..................................................69
Tabla 16. Datos para la fabricación del estriado del eje de freno (árbol)..................................92
Tabla 17. Datos para la fabricación del estriado del eje de freno (cubo). .................................92
Tabla 18. Características técnicas de la bomba doble B&C serie BQ31.................................111

16. Introducción
El presente trabajo de tesis tiene como objetivo principal el diseño de un winche hidráulico de
8tm para aplicaciones navales usando tecnología CAD/CAE, el winche será usado
específicamente en la industria petrolífera y realizará la función de winche de ancla para
facilitar el posicionamiento de una barcaza usada en el mantenimiento de plataformas en alta
mar. El winche diseñado cuenta con cuatro sistemas: el sistema motriz, el cual comprende los
trenes de engranajes encargados de transmitir la potencia del motor hidráulico al carrete, el
sistema de encroche o embrague, el cual es el encargado de acoplar la transmisión al carrete
por medio de un embrague de dientes, el sistema de freno, que es uno de los sistemas de
seguridad y que controla y regula el giro del carrete, el sistema de trinquete, es también un
sistema de seguridad y sirve para bloquear el giro del carrete cuando el equipo se encuentra
en reposo. Todos los sistemas son accionados por pistones hidráulicos de doble efecto. El
estudio realizado en este trabajo de tesis tiene como objetivos:
1. Exponer las enormes ventajas que presentan las herramientas CAD/CAE dentro del
diseño mecánico.
2. Explicar los diferentes tipos de winches usados en la industria así como sus
principales aplicaciones y beneficios.
3. Diseñar, calcular y seleccionar los diferentes elementos que forman parte del winche.
4. Diseñar los pistones hidráulicos y seleccionar correctamente los sellos hidráulicos de
forma comercial.
5. Diseñar y calcular una unidad hidráulica, seleccionando correctamente todos sus
accesorios de forma comercial.
6. Explicar mediante un video el funcionamiento del winche y el ensamble de uno de sus
pistones.
7. Modelar y analizar los componentes del winche mediante el Solidworks.
El desarrollo del estudio de este trabajo de tesis se ha realizado en cuatro capítulos, que se
describen a continuación:
En el primer capítulo se hace un repaso de los diferentes tipos de winches usados en la
industria, así como las principales ventajas y desventajas de usar una determinada
configuración en un winche
En el segundo capítulo se describe los principales componentes y sistemas del winche
propuesto y se dan algunas consideraciones para el montaje y mantenimiento.

17. 2
En el tercer capítulo se describe en detalle el diseño mecánico del winche, se exponen los
cálculos, en forma manual o por software, de todos los componentes del winche.
En el cuarto capítulo se presenta el análisis por elementos finitos de los principales
componentes del winche. Se analizó estáticamente y por fatiga, aplicando las cargas máximas
a las que están sometidas durante su funcionamiento.
Además se presentan en los anexos; los reportes generados por los programas de cálculo, el
circuito hidráulico del sistema, la procura, los códigos para designar la serie del winche y las
hojas técnicas de los materiales empleados.

18. Capítulo I.
Estudio del arte
Actualmente existen numerosos winches eléctricos, de combustión, neumáticos e hidráulicos
que sirven para facilitar el trabajo en la industria, estos winches son fabricados
fundamentalmente para recoger, entregar y almacenar cabo, cables o redes ejerciendo tensión
en los mismos. Los winches también son conocidos como “cabrestantes”.
Los winches constan de un eje horizontal en el que se instalan uno o dos tambores para
almacenar cable o cabo, dependiendo del diseño pueden estar provistos de accesorios tales
como: guía cables, trinquete, freno, encroche o embrague, etc. Estos accesorios pueden ser de
tipo manual, hidráulico, neumático, eléctrico, etc. El principal accesorio encargado de
transmitir movimiento y potencia al winche es el motor principal el cual puede ser eléctrico,
de combustión, neumático o hidráulico. El motor principal designa el tipo de winche; es decir,
un winche hidráulico será el que use un motor principal hidráulico.
Cuando los mandos se encuentran cerca del winche o instalados en el mismo winche se
designa como un winche controlado localmente, cuando los mandos se encuentran a distancia
el winche es controlado remotamente. Los mandos pueden ser de tipo hidráulicos y/o
neumáticos, pilotados mediante un sistema electrónico inalámbrico.
Normalmente los winches entregan, recogen y almacenan cable. El principio de
funcionamiento resulta sencillo de entender pero algunos winches, dependiendo de la
necesidad, podrían estar provistos de accesorios los cuales aumentan su complejidad
(encroches o embragues, frenos, trinquetes, guía cables, mandos a distancia, etc.) hasta llegar
a convertirse en una máquina sofisticada y versátil
Antiguamente en las aplicaciones navales se usaban los winches con transmisiones mecánicas
los cuales eran accionados a partir de un motor conectado al eje principal del winche
mediante poleas, fajas o cadenas, esto con el fin de multiplicar el torque entregado y reducir
la velocidad de rotación. Este arreglo no era eficiente pues aparte de ocupar mucho espacio el
tener una transmisión de ese tipo ocasionaba muchas veces accidentes. Hoy en día los diseños
son más compactos y se ha optado por usar motores hidráulicos los cuales van conectados
mediante una caja de transmisión instalada en el propio winche.

19. 4
1.1. Comparación de los winches convencionales con winches hidráulicos
Las principales desventajas de las transmisiones mecánicas usadas en los winches
convencionales son:
 El eje principal del winche conectado mediante cadenas, ruedas dentadas externas,
poleas, etc. al motor principal ocupan mucho espacio.
 Se exige un mantenimiento excesivo y por separado.
 La velocidad de rotación del winche sólo se puede variar cambiando el régimen de
rotación del motor.
Los winches convencionales que usan motores principales eléctricos tienen las siguientes
desventajas:
 Gran tamaño de generadores y motores.
 Protección especial para trabajar a la intemperie (alto costo).
Los winches convencionales con motores principales neumáticos sólo sirven para transmitir
pequeñas potencias y además por efecto de la compresibilidad del aire, al aumentar la carga
varía su velocidad enormemente, con lo que se hace muy difícil de controlar.
Estas desventajas no se presentan en los winches hidráulicos. El diseño de los winches
hidráulicos es más compacto y tienen mayor potencia.
1.2. Experiencia desarrollada en el diseño y fabricación de winches
La elección de este tema de tesis se ha basado en la experiencia adquirida trabajando en el
área de diseño, cálculo y fabricación de equipos para la industria petrolera, minera, pesquera,
agrícola y química. Es muy interesante y satisfactorio crear en la mente la idea de un equipo
para que poco a poco, con ayuda de los conocimientos adquiridos y el uso de herramientas
CAD/CAE, plasmar la idea del equipo en planos luego materializar su fabricación y puesta en
marcha.
A continuación se exponen, en forma muy resumida, algunos de los winches fabricados:
 Winche de ancla con “barbotín”: Este winche usa una cadena para levantar o lanzar
el ancla, en esta configuración el tambor es reemplazado por un “barbotín” el cual es
una especie de rueda dentada que sirve para transmitir el movimiento, los eslabones
de la cadena encajan en los dientes del barbotín. Este tipo de winches han sido
instalados en gran parte de las embarcaciones pesqueras del Perú.

20. 5
Figura 1. Winche hidráulico de ancla con barbotín.
 Winche de ancla con tambor: Este tipo de winche recoge, lanza y almacena el cable
que conecta el ancla con el tambor. Este tipo de winches han sido instalados en
barcazas de la industria petrolera.
Figura 2. Winche hidráulico de ancla con tambor.
 Winche remolcador: Este tipo de winches puede llegar a tener hasta tres tambores,
su principal función es remolcar alguna embarcación la cual no puede navegar por si
sola. Los winches remolcadores han sido instalados en embarcaciones de la Marina de
Guerra del Perú y en la industria petrolera.

21. 6
Figura 3. Winche hidráulico remolcador con guía cable.
 Winche para deportes extremos: Para este caso se diseñó, calculó y fabricó un
winche con motor principal de combustión interna. El winche sirve para levantar un
ascensor con personas hasta una altura de 122m desde donde se lanzan amarrados a
una cuerda. Este deporte es denominado el salto bungee y es considerado el más alto
de Sudamérica. El winche cuenta con dos tambores cada uno con su guía cable, tiene
un alto factor de seguridad e incluye tres tipos de freno. El winche ha sido instalado en
una empresa dedicada a los deportes extremos en Cusco.
Figura 4. Winche de combustión para deportes extremos.

22. 7
 Winche multipropósito: Son winches de tambor de mediana capacidad, usados para
diversas aplicaciones. Estos winches han sido instalados en diferentes sectores de la
industria.
Figura 5. Winche hidráulico multipropósito.
1.3. Ventajas de usar un Winche Hidráulico en aplicaciones navales.
 Transmite potencia con eficiencia y seguridad dentro de un radio de acción
que protege al operador.
 Por ser hidráulico, se puede operar remotamente de forma sencilla.
 Los actuadores, motores y cilindros que convierten la energía recibida en
energía mecánica, pueden trabajar a la intemperie sin protección especial.
 El sistema hidráulico es fácilmente controlable, el cual depende del caudal que
ingrese al motor principal, éste es regulado por una válvula que servirá como
mando de control.
 El sistema hidráulico es seguro y además no contamina el ambiente.
 Al contrario de lo que se piensa, la hidráulica es relativamente simple y los
circuitos no suelen ser complicados.
 Un sistema hidráulico admite variaciones o correcciones en velocidad y en
potencia, variando las revoluciones y la presión de trabajo respectivamente.
 Los sistemas son estancos y pueden trabajar en condiciones extremadamente
severas.
 Los circuitos hidráulicos, al utilizar aceite como fluido transmisor, se
mantienen lubricados reduciendo así el desgaste al mínimo y evitando
agarrotamientos, de esta manera se obtiene un alto rendimiento mecánico en
las bombas y motores.
 Los elementos hidráulicos de alta y media presión son pequeños y poco
pesados en relación a la fuerza que desarrollan, esto los hace sumamente
interesantes para ser utilizados en las aplicaciones navales.
 La ventaja más importante es el bajo mantenimiento de las instalaciones
hidráulicas. El mantenimiento se limita a esporádicos cambios de filtros y

23. 8
sellos, así como cierta vigilancia de posibles fugas y verificación de los niveles
de aceite en los tanques.
1.4. Desventajas de usar un Winche Hidráulico en aplicaciones navales.
 El inconveniente podría ser el costo del equipo en comparación con otros
sistemas, pero lo compensa su fácil operación y su bajo costo en
mantenimiento.
 Existe un peligro de incendio, los aceites utilizados son generalmente
inflamables, una pequeña fuga de aceite en contacto con fuego o alguna fuente
de calor ocasionaría un incendio.
 El rozamiento del aceite dentro de los tubos y de las válvulas del circuito
producen una pérdida de carga, las cuales deberán ser consideradas en el
diseño.
 La presencia de aire dentro del circuito produce fuertes vibraciones, ruido y
golpes de ariete ocasionando daños severos en los equipos.

24. Capítulo II.
Descripción y sistemas de un winche hidráulico
2.1. Memoria descriptiva del winche
Los winches a bordo sirven para facilitar la maniobra de amarres y en algunos casos
para recoger las anclas. Los winches hidráulicos tienen la ventaja de permitir una
instalación simple y una seguridad en el trabajo, desarrollando al mismo tiempo una
potencia suficiente para otros trabajos. Dentro de una embarcación los winches que son
usados para levantar o lanzar el ancla son llamados “winches de ancla”.
El winche, estudiado en este trabajo de tesis, es un winche hidráulico de tambor o
carrete que consta de tres sistemas: sistema de freno, sistema de trinquete y sistema de
encroche o embrague. Estos sistemas son accionados por pistones hidráulicos de doble
efecto. El winche cuenta con una caja de transmisión de dos trenes de engranajes con
una relación de reducción de 20.43 (20.43:1). La transmisión es accionada por un motor
hidráulico de pistones radiales que trabaja en condiciones máximas a una presión de
2,500psi y un caudal de 31.2gpm.
La unidad hidráulica del winche consta de un tanque de 60 gln conectado a una bomba
doble de paletas de desplazamiento fijo, la bomba doble suministra caudales de
31.2gpm y 3gpm. La bomba está conectada a un motor eléctrico de 75hp mediante un
acoplamiento que une ambos ejes.
En el winche la carga está conectada al carrete mediante un cable de acero. Para recoger
o levantar la carga se usa el sistema de encroche o embrague con el cual se conecta la
transmisión al carrete o tambor con el fin de hacerlo girar de modo que enrolle el cable
levantando de esta manera la carga. En esta operación el torque entregado por el motor
hidráulico se trasmite multiplicado por la caja de transmisión al tambor o carrete. El
sistema de freno y trinquete deberán estar desconectados. Cuando la carga se ha
levantado hasta la posición deseada, será necesario desconectar el sistema de encroche
o embrague y activar el sistema de freno y/o trinquete para dejar la carga en esta
posición.
Para lanzar o bajar la carga el sistema de encroche o embrague desconecta la
transmisión del carrete o tambor, de esta forma el carrete queda libre y puede girar

25. 10
accionado por la caida libre del peso de la carga. En esta operación, la caida se controla
con el sistema de freno.
El freno controla la caida de la carga de forma que baje en forma lenta y suave, el
sistema de trinquete deberá estar desconectado. Cuando la carga ha descendido hasta la
posición deseada se deberá activar el sistema de trinquete y/o freno, entiéndase que
estos sistemas bloquean el giro del tambor.
2.2. Glosario de términos
A continuación se presentan una serie de definiciones y terminologías que contribuirán
a un mejor entendimiento del trabajo de tesis.
 Potencia Hidráulica: Se define como la cantidad de energía cinética y potencial
que genera un fluido sometido a fuerzas externas.
 Pull Nominal: Es la capacidad nominal que puede levantar un winche. Esta
capacidad de tiro o arrastre se expresa en unidades de toneladas métricas.
 Stall Pull: Es la máxima carga de trabajo que puede soportar un winche sin que
se vea afectado estructuralmente. Esta capacidad de tiro o arrastre se expresa en
unidades de toneladas métricas.
 Engranaje: Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado
para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Los
engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se
denomina corona o rueda y la menor se le denomina piñón. Si el sistema está
compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes.
 Lleva: Acción de jalar o levantar una carga con el tambor o carrete de winche
siendo dependiente de la capacidad del winche.
 Arrea: Acción de soltar o bajar una carga con el tambor o carrete de winche
siendo independiente de la capacidad del winche, se logra solo venciendo la
inercia del tambor.
 Encroche: Sistema diseñado para transmitir la potencia del eje al tambor o
carrete, mediante un acoplamiento apropiado. Funciona como un embrague.
 Trinquete: Sistema diseñado para trabar o bloquear el giro del tambor o carrete,
este puede funcionar independiente del sistema general del winche. Existen
trinquetes bidireccionales los cuales bloquean el giro en ambos sentidos y los
trinquetes unidireccionales los cuales bloquean el giro en un solo sentido.
 Actuador: Es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es
proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza
que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: presión neumática,
presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide).
Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”,
“hidráulico” o “eléctrico”.
 Pistón o cilindro de doble efecto: Los cilindros de doble efecto pueden realizar
el trabajo en ambas direcciones porque se les aplica la presión en ambas caras del
émbolo.
 Sistemas Hidráulicos: Un sistema hidráulico contiene y confina un líquido de
manera que se usen las leyes que gobiernan los líquidos para transmitir potencia y
desarrollar trabajo.

26. 11
 Sistemas Neumáticos: Utilizan un fluido en forma de gas que al comprimirse
genera la energía y la potencia necesaria para producir un movimiento o trabajo.
 Guía cable: Es un accesorio del winche que sirve para guiar el cable de manera
que se enrolle formando capas ordenadas en el tambor
2.3. Descripción de cada componente
2.3.1. Tambor o carrete
El tambor o carrete del winche está en función del diámetro de cable, la
capacidad de almacenamiento y el pull nominal. A medida que aumenta el
número de capas de cable en el tambor cuando se está enrollando, la capacidad
nominal del winche disminuye. Cuando se está operando cerca del borde
superior de las bridas o tapas laterales del tambor (tambor lleno), la capacidad
nominal efectiva disminuye considerablemente en relación a la primera capa
(tambor vacío). Por tanto se recomienda que sólo se use la cantidad y el tipo de
cable con el que se ha diseñado el winche. No se debe usar cable más largo o
más corto que el recomendado, el uso de un cable más largo no le permitirá
levantar cargas más grandes.
El tubo central de tambor es de plancha rolada unida mediante soldadura a las
tapas laterales, estas tapas cuentan con refuerzos tipo cartelas para darle mayor
consistencia. Concéntrico al tubo central se dispone de un tubo de menor
diámetro unido en sus extremos a dos masas, una de ellas se le denomina “masa
de encroche” la cual sirve para conectar la transmisión al carrete, dentro del
tubo de menor diámetro se aloja el eje principal. En las masas que se conectan
al tubo de menor diámetro se alojan los rodamientos que conectan al eje
principal con el carrete. El giro del eje principal es totalmente independiente al
del tambor. En uno de los laterales se dispone de un dispositivo para amarrar el
cable, también se dejan accesos para poder lubricar los rodamientos. Todo esto
se une mediante soldadura.
Figura 6. Tambor o carrete del winche.

27. 12
2.3.2. Eje principal
Es una de las piezas más importantes del equipo, el eje principal soporta
directamente la carga del winche, es por eso que en nuestro diseño se considera
un factor de seguridad conservador. Es verdad que el pull nominal y el stall pull
son conocidos pero deberíamos considerar, al momento de diseñar, que durante
la operación del winche el golpe de las olas del mar suma esfuerzos
desconocidos al eje, por esta razón el eje principal se fabrica de un material muy
resistente (acero bonificado).
El eje principal presenta cambios de sección los cuales son calculados en forma
manual para luego ser comprobados por CAD/CAE, además presenta
alojamientos para rodamientos, seguros seggers, canales chaveteros, puntos de
lubricación y una sección con un estriado la cual forma parte del sistema de
encroche o embrague que es el encargado que trasmitir el toque del eje al
tambor.
Figura 7. Eje principal del winche.
2.3.3. Casco o estructura del winche
El casco o estructura del winche soporta la carga transmitida por el eje y el
tambor. El casco está fabricado en acero ASTM A36, cuenta con un diseño
robusto y compacto que facilita su instalación y mantenimiento, en su base
cuenta con cáncamos para poder ser izado y transportado. Se ha incorporado en
el casco la caja de transmisión con el fin de hacer más compacto el equipo. El
casco ha sido diseñado y calculado usando CAD/CAE, para su fabricación se
han usado tolerancias ISO en calderería y tolerancias DIN en el mecanizado con
el fin de tener precisión y alineamiento en el ensamble del equipo pues una
ligera variación podría tener desbalance y ocasionar ruido y vibraciones durante
la operación.

28. 13
Figura 8. Casco o estructura del winche.
2.3.4. Pistones hidráulicos de doble efecto para accionamiento
Para el funcionamiento del winche se cuenta con sistemas tales como: sistema
de freno, sistema de trinquete y sistema de encroche o embrague, estos sistemas
son accionados por pistones hidráulicos de doble efecto, los cuales tienen una
carrera efectiva de 70mm. Los pistones han sido diseñados, calculados y
fabricados exclusivamente para este winche, su diseño se acomoda a las
necesidades del equipo. En el diseño se ha tenido en cuenta que los pistones
sean pequeños y robustos para que soporten ambientes tan agresivos como el
mar.
Figura 9. Pistón de doble efecto para accionamiento.

29. 14
2.3.5. Motor hidráulico principal
El motor hidráulico ha sido calculado de forma tal que entregue el torque
necesario para generar el stall pull. El torque y la velocidad en el motor
hidráulico están relacionados con la presión y el caudal respectivamente, con
estos datos podemos seleccionar el motor hidráulico. Para nuestro winche
usaremos un motor hidráulico de pistones radiales el cual tiene una alta
eficiencia mecánica y volumétrica resultando de una menor cantidad de calor
producido. El mantenimiento en estos motores es prácticamente nulo.
Figura 10. Motor hidráulico de pistones radiales SAI.
2.3.6. Unidad hidráulica
Es un componente muy importante encargado de entregar la energía necesaria al
winche para que pueda realizar su trabajo. La unidad hidráulica cuenta con un
tanque de aceite, una bomba doble, un motor eléctrico y todos los accesorios
necesarios para su correcto funcionamiento. El motor eléctrico entrega la
potencia mecánica a la bomba doble haciéndola girar para que succione el aceite
del tanque y lo derive hacia la consola de mandos donde será distribuido,
mediante válvulas direccionales, al winche y/o a los pistones hidráulicos de
accionamiento. Todos los componentes están instalados sobre una estructura
metálica haciendo este equipo más compacto y facilitando su transporte y
ubicación.

30. 15
Figura 11. Unidad hidráulica para el winche.
2.3.7. Consola de mandos
La consola de mandos estará instalada en uno de los extremos del winche.
Desde la consola de mandos, por medio de válvulas direccionales, se puede
hacer girar el motor principal del winche en cualquier dirección, también se
pueden activar o desactivar los pistones de doble efecto para accionamiento. La
consola cuenta con elementos de lectura (manómetros) para poder monitorear la
presión en el sistema.
Figura 12. Consola para mandos del winche.

31. 16
2.4. Descripción de sistemas
2.4.1. Sistema motriz
El motor principal hidráulico se encuentra instalado en el casco o estructura del
winche al lado de la caja de transmisión. El eje del motor principal hidráulico
está conectado a un piñón recto de módulo 4 y de 22 dientes corregidos, este
piñón transmite el torque a la rueda intermedia de módulo 4 y 116 dientes
corregidos. A la rueda intermedia se conecta, mediante chaveta, el piñón
intermedio de módulo 6 y 24 dientes corregidos, este piñón intermedio
transmite el torque a la rueda de salida de módulo 6 y 93 dientes corregidos. La
rueda de salida se conecta por medio de chaveta al eje principal. Cuando el
motor principal hidráulico gira, el eje principal lo hace de forma más lenta
debido a la reducción de la caja de transmisión (20.43:1). Como se mencionó
anteriormente el tambor gira en forma independiente del eje principal debido a
que están conectados por medio de rodamientos. Para que el eje principal
transmita el torque al tambor se necesita que ambos se conecten por medio del
encroche móvil, montado en el eje principal, y la masa de encroche del tambor.
Figura 13. Sistema de transmisión del winche.
2.4.2. Sistema de encroche o embrague
El sistema de encroche o embrague sirve para conectar la transmisión al tambor
principal. El tambor está conectado al eje principal mediante rodamientos por lo
que ambos tienen giros independientes. Para encrochar el sistema se activa el
pistón hidráulico de accionamiento de doble efecto cuyo vástago empuja un
collarín que arrastra el encroche móvil que está montando sobre el estriado del
eje principal. El estriado del eje principal transmite movimiento de giro al
encroche móvil, este puede deslizarse longitudinalmente a lo largo del eje
principal. Es gracias a este movimiento longitudinal que el encroche móvil se
conecta con la masa de encroche del carrete, de esta manera se transmite el
movimiento y el eje principal le transmite el torque necesario al carrete para
ejecutar el trabajo deseado.

32. 17
Figura 14. Sistema de encroche o embrague.
2.4.3. Sistema de freno
El sistema de freno es del tipo freno de banda. La banda flexible está montada
sobre un lado del tambor en una de las tapas laterales, esta banda es de acero y
tiene en la cara de contacto un material de fricción que se adapta a la curvatura
del tambor. Los extremos de la banda se cierran conectándose a una leva la cual
realizar un leve giro ejerciendo una fuerza que pone la banda en tensión
ocasionando una fuerza del material de fricción contra el tambor produciendo el
frenado. La leva está conectada con un eje estriado el cual gira por acción de
una palanca accionada por el pistón hidráulico de accionamiento de doble
efecto.
Figura 15. Sistema de freno de winche.

33. 18
2.4.4. Sistema de trinquete
El sistema de trinquete está compuesto por la rueda con dientes inclinados
instalada sobre uno de los laterales del tambor y la traba de trinquete que es
accionada por un pistón hidráulico de accionamiento de doble efecto. La rueda
de trinquete tiene dientes inclinados especialmente diseñados (denominados
dientes de trinquete), la traba de trinquete es una especie de uñeta que bloquea
el giro al entrar entre los dientes del trinquete cuando es accionada por el pistón
hidráulico de accionamiento de doble efecto. El bloquear el giro obedece a una
necesidad de evitar que el winche regrese la carga. El bloqueo es en una sola
dirección (Trinquete unidireccional).
Figura 16. Sistema de trinquete de winche.
2.5. Referencia normativa aplicable
Todo el acero estructural y servicios menores serán fabricados, diseñados y mantenidos
de acuerdo a los documentos indicados líneas abajo. Estos documentos cubren aspectos
tales como: materiales, disposición de construcción y de detalles, soldadura tolerancias
y pinturas.
 AISI: American Iron and Steel Institute.
 SAE: Society of Automotive Engineers
 SSPC: Steel Structure Painting Council.
 AGMA: American Gear Manufacturers Association
 ANSI: American National Standards Institute
 AISC: American Institute of Steel Construction
 ASME: American Society of Mechanical Engineers
 ASTM: American Society for Testing and Materials
 AWS: American Welding Society
 ISO: International Standards Organization
 DIN: Deutsches Institut fuer Normung
 VDI: Verein Deutscher Ingenieure

34. 19
 AISC: American Institute of Steel Construction
 VDE : Verband Deutscher Elektroingenieure
 SSPC : Steel Structures Painting Council
 IEC: International Electrotechnical Commission
2.6. Consideraciones para montaje y mantenimiento
El diseño debe contemplar que el equipo sea de fácil montaje y deberá tener puntos de
inspección, lubricación y visores para determinar la causa de alguna posible falla. Las
partes más críticas del equipo son: el tambor, el eje principal y la caja de transmisión,
para desmontar estos componentes se necesitará desmontar primero las tapas del casco.
2.6.1. Consideraciones para el montaje
Las siguientes consideraciones son válidas solo para el montaje, se asume que
todas las piezas y partes ya han sido terminadas. Por experiencia consideramos
que el montaje deberá seguir la siguiente secuencia:
 Se instalan los rodamientos, seguros y sellos solo de un lado del eje
principal.
 Se instala el encroche móvil sobre el eje principal.
 Se instala el eje principal en el tambor o carrete. En esta parte el eje
principal queda fijo y se instalan los rodamientos, seguros y sellos del
lado faltante.
 Se instala la rueda de salida sobre el eje principal. Su conexión es
mediante chaveta.
 Se instala los engranajes y el motor hidráulico en la caja de transmisión
del winche. Se deberán hacer pruebas de asentamiento de los
engranajes.
 El sistema eje principal, tambor y rueda de salida se instala sobre el
caso haciendo encajar los rodamientos con las masas para rodamientos
de la estructura del winche.
 Se aseguran los componentes a medida que se alinean correctamente.
 Se instalan las tapas de la estructura del winche. Las tapas se aseguran
con pernos.
 Se instala el sistema de freno.
 Se instala el sistema de encroche.
 Se instala el sistema de trinquete.
 Se procede al llenado, con aceite, hasta el nivel recomendado de la caja
de transmisión del winche.
 Se procede a realizar las pruebas de funcionamiento.
2.6.2. Consideraciones para el mantenimiento
Un buen diseño exige tener un fácil y poco frecuente mantenimiento. El
desmontaje del winche debe ser rápido en caso de algún siniestro, por tales
motivos hemos considerado lo siguiente:

35. 20
 El eje principal cuenta con rodamientos los cuales son bañados en
aceite desde un ducto ubicado estratégicamente en el tambor.
 Todas las partes articuladas cuentan con graseras.
 La caja de transmisión tiene un ducto para el llenado de aceite y un
ducto para el drenaje del aceite en caso de cambio.
 La caja de transmisión tiene un visor para poder inspeccionar el nivel
de aceite, así como una pequeña ventana empernada en la tapa del caso
que permite verificar su funcionamiento.
 En los laterales del casco se cuentan con graseras conectadas al eje
principal de manera que se puede lubricar las partes internas desde el
exterior.

37. 22
DIMENSIONES DEL TAMBOR
A(mm) 1,143.00
B(mm) 381.00
C(mm) 762.00
d(mm) 28.58
L(m) 694.70
Para calcular la velocidad de rotación del tambor usaremos las siguientes fórmulas
(Czekaj.):
(3. 2)
(3. 3)
Donde:
= Diámetro del tubo central en metros.
= Diámetro del cable en metros.
= Diámetro equivalente en metros.
= Velocidad del cable en metros por minuto.
= Velocidad del tambor en revoluciones por minuto.
Tabla 2. Velocidad del tambor o carrete.
VELOCIDADES EN EL TAMBOR
Dm (m) 1.29
V (m/min) 15.00
n (rpm) 11.66
Considerando la caja de transmisión con una relación de 20.43 la velocidad en el motor
hidráulico será:
El carrete será construido con los siguientes materiales:
 Tubo central (diámetro B) con plancha rolada de 25mm en ASTM A572 Gr 50
(ver Anexo A).
 Tubo interior al tubo central para alojamiento del eje principal fabricado en
tubería de 6” de diámetro ASTM A-53 GR-B en SCH 80 (ver Anexo B).
 Tapas laterales (diámetro A) con cartelas en plancha de 25mm en ASTM A36
(ver Anexo A).
 Masas de tapas laterales en AISI 1020 (ver Anexo C).
Hacemos un modelo del carrete el cual será corregido cuando tengamos las medidas
finales del eje principal. En este caso asumimos un peso del carrete de 1,000kg.

38. 23
Figura 18. Vista en sección del carrete o tambor.
3.2. Cálculo de eje principal
Conociendo las dimensiones y el peso aproximado del tambor ya tenemos una idea de
la configuración y forma del winche. Con estos datos podemos aproximar las
dimensiones, longitud y forma del eje para determinar el diámetro óptimo. Debemos
tener en cuenta que las condiciones para el cálculo serán las más desfavorables.
Figura 19. Vista en sección de eje principal con medidas en metros.
3.2.1. Cálculo del torque
Determinaremos el par de torsión originado por el stall pull de 13.21tm.
(3. 4)
(3. 5)
Donde:
= Stall pull del winche.
= gravedad.
= fuerza generada por el stall pull en el winche.

39. 24
= radio de equivalente (B+d)/2.
= Torque generado.
( )
El par de torsión actúa entre el engranaje de salida y el punto donde se aplica el
stall pull que es el centro del eje principal. El par de torsión es uniforme en
magnitud a lo largo del área indicada.
Considerando la caja de transmisión con una relación de 20.43 y una eficiencia
del 98% el torque que deberá entregar el motor hidráulico será:
(3. 6)
3.2.2. Cálculo del diagrama de esfuerzos, cortante y momento
La fuerza tangencial y radial ejercida en el diente del engranaje de salida es:
(3. 7)
(3. 8)
Donde:
= Fuerza tangencial en el engranaje de salida.
. = Torque generado.
= Radio primitivo del engranaje de salida.
= Fuerza radial en el engranaje de salida.
La fuerza radial en el engranaje de salida se genera por el ángulo de presión de
20°.

40. 25
Figura 20. Fuerzas y reacciones sobre el eje principal.
Para encontrar las reacciones desconocidas a lo largo del eje principal
procedemos a formular las ecuaciones en los planos correspondientes.
∑ (3. 9)
(3. 10)
∑ (3. 11)
(3. 12)
∑ (3. 13)
(3. 14)
∑ (3. 15)
(3. 16)
∑ (3. 17)
(3. 18)

41. 26
∑ (3. 19)
(3. 20)
∑ (3. 21)
(3. 22)
∑ (3. 23)
(3. 24)
∑ (3. 25)
(3. 26)
∑ (3. 27)
(3. 28)
Tenemos 10 ecuaciones con 10 incógnitas, para resolver este sistema de
ecuaciones lineales usaremos el siguiente sistema matricial:
[ ][ ] [ ] (3. 29)
[ ][ ]
[ ]

42. 27
Resultados de la Matriz [x]:
[ ]
Con el resultado de las reacciones dibujamos los diagramas de corte y de
momento a lo largo del eje principal.
Figura 21. Magnitud del par de torsión en kNm a lo largo del eje principal.
Figura 22. Diagrama de fuerzas y reacciones (kN) en el plano yz a lo largo del
eje principal.

43. 28
Figura 23. Diagrama de corte (kN) en el plano yz a lo largo del eje principal.
Figura 24. Diagrama de momentos (kNm) en el plano yz a lo largo del eje
principal.
Figura 25. Diagrama de fuerzas y reacciones (kN) en el plano xz a lo largo del
eje principal.

44. 29
Figura 26. Diagrama de corte (kN) en el plano xz a lo largo del eje principal.
Figura 27. Diagrama de momentos (kNm) en el plano xz a lo largo del eje
principal.
Los momentos en los puntos en análisis son:
√
√
√
√
√
Como se ha mencionado anteriormente escogeremos un acero de buena calidad
para la fabricación del eje principal. El material seleccionado es AISI 4340 que

45. 30
es un acero especial de bonificación al cromo níquel molibdeno altamente
resistente a la tracción, a la torsión y a cambios de flexión. En el anexo D se
adjunta la hoja técnica del acero AISI 4340.
Por experiencia suponemos que el diámetro del eje principal estará entre 100 y
160 milímetros. Con estos datos seleccionamos, de la ficha técnica del acero en
el anexo D, la resistencia a la tracción de 880N/mm2 (880MPa) y el límite de
fluencia de 685N/mm2 (685MPa), que son los valores mínimos. Calculamos la
resistencia a la fatiga corregida:
(3. 30)
Este valor debe reducirse aplicando varios factores con el fin de tomar en cuenta
las diferencias entre la pieza real y las probetas que sirvieron de prueba para
obtener los valores característicos.
(3. 31)
3.2.3. Efectos de carga
Generalmente la resistencia a la fatiga se refiere a pruebas a flexión rotativa a
las cuales se les debe aplicarse un factor de reducción de resistencia. Con base
en el análisis de las pruebas a la fatiga a torsión y a flexión, se define el factor
de carga de reducción de resistencia. En nuestro caso la carga es a flexión y a
torsión por lo que el factor de carga será igual a uno.
= 1.
3.2.4. Efectos dimensionales
Las probetas de prueba para una viga giratoria y estática son pequeños
(aproximadamente de 0.3” de diámetro). Si la pieza es mayor a esta dimensión,
es necesario aplicar un factor de tamaño de reducción de esfuerzos, para tomar
en consideración el hecho que piezas mayores fallan a esfuerzos menores,
debido a una mayor probabilidad que en el volumen más grande bajo esfuerzo
este presente un defecto. Shigley y Mitchell (Mitchell) ofrecen una expresión
sencilla y razonablemente conservadora.
Figura 28. Ecuación de Shigley y Mitchell para factores de tamaño.
Los datos de prueba sobre los cuales se basan estas ecuaciones son para piezas
de acero. Estas ecuaciones son validad para piezas cilíndricas. En nuestro caso

46. 31
aún no conocemos el tamaño de la pieza, temporalmente supondremos un factor
de tamaño igual a uno.
= 1.
3.2.5. Efectos superficiales
Las probetas para una viga rotativa se pulen a espejo a fin de eliminar
imperfecciones superficiales que pudieran servir como concentradores de
esfuerzos. Por lo general es impráctico efectuar este pulido tan costoso en una
pieza real. Los acabados más ásperos bajarán la resistencia a la fatiga debido a la
introducción de concentración de esfuerzos y/o alterar las propiedades físicas de
la capa superficial. Para tomar en cuenta estas diferencias es necesario un factor
superficial de reducción de resistencia. Juvinall (R.C.Juvinall) proporciona una
gráfica que sirve como guía para la selección del factor superficial para varios
acabados comunes en acero. Observe que la resistencia a tensión es también un
factor, ya que los materiales con resistencias más altas son más sensibles a
concentraciones de esfuerzos introducidas por irregularidades superficiales.
Figura 29. Gráfica de Juvinall para determinar el factor superficial.
Para nuestro caso la resistencia a la tensión es de 880Mpa (127.6kpsi),
consideramos una rugosidad de entre 0.8 (N6) a 3.2 (N8) micras lo cual equivale
a tener un torneado fino. Con estos datos tenemos una factor superficial de 0.9.

47. 32
= 0.9.
3.2.6. Efectos por temperatura
Normalmente las pruebas a la fatiga se hacen a la temperatura ambiente. A bajas
temperaturas la tenacidad a la fatiga se reduce, y a temperaturas moderadamente
altas (hasta aproximadamente 350°C) se incrementa. Se han propuesto varias
fórmulas aproximadas con el objeto de tomar en consideración la reducción en
el límite de resistencia a la fatiga a temperaturas moderadamente altas. Se puede
definir un factor de temperatura. Shigley y Mitchell (Mitchell) sugieren lo
siguiente:
Figura 30. Ecuación de Shigley y Mitchell para factores de temperatura.
Los criterios se basan en datos para el acero, en nuestro caso el factor de
temperatura es igual a uno.
= 1.
3.2.7. Confiabilidad
Una gran parte de los datos de resistencia reportados o informados son valores
medios. Hay considerable dispersión en múltiples ensayos de un mismo
material bajo las mismas condiciones de prueba. Haugen y Wirsching
(Wirsching.) informan que las desviaciones estándar de la resistencia a la fatiga
de los aceros rara vez exceden el 8% sobre sus valores medios. La tabla 3
muestra los factores de confiabilidad de una desviación estándar supuesta del
8%. Observe que una confiabilidad del 50% tiene un factor de 1 y el factor se
reduce conforme se elige una confiabilidad superior. En nuestro caso usaremos
un factor de 1. El winche trabajará en el mar, siendo difícil calcular los
esfuerzos generados por las olas cuando golpean la barcaza, este es el motivo
por el cual escogemos una baja confiabilidad.
Tabla 3. Factores de confiabilidad.
Confiabilidad %
Factor de
confiabilidad
50 1.000
90 0.897
99 0.814
99.9 0.753
99.99 0.702
99.999 0.659
= 1.

48. 33
Conociendo los factores podemos calcular:
3.2.8. Muescas y concentraciones de esfuerzos
En este contexto una muesca es un término genérico y se refiere a cualquier
contorno geométrico que pone un obstáculo al “flujo de la fuerza” a través de la
pieza. Una muesca puede ser una perforación, una ranura, un filete, un cambio
abrupto de sección transversal, o cualquier otro obstáculo brusco en los
contornos suaves de una pieza. Algunas muescas son introducidas de manera
deliberada para conseguir características de ingeniería como ranuras para
anillos, filetes en escalones de ejes, perforaciones para sujetadores o chavetas,
etcétera. Hay que entender que las muescas con radios extremadamente
pequeños concentran grandes esfuerzos.
3.2.9. Sensibilidad a las muescas (q)
Cada material tiene una diferente sensibilidad a las concentraciones de
esfuerzos. Esta sensibilidad se conoce como sensibilidad a las muescas del
material. En general, mientras más dúctil sea el material, menos sensible será a
las muescas. Los materiales frágiles son más sensibles a las muescas. La
sensibilidad a las muescas también depende del radio de la muesca, conforme los
radios de la muesca se acercan a cero, la sensibilidad a las muescas de los
materiales se reduce y también se acerca a cero.
Nuber (H.Neuber) hizo el primer estudio completo de los efectos de las muescas
y en 1937 publico una ecuación para el factor de concentración de esfuerzo a la
fatiga. Posteriormente Kuhn (H.F.Hardrath, Octubre de 1952) revisó la ecuación
de Nuber, y desarrolló experimentalmente datos para la constante de Nueber
(una propiedad de los materiales, necesaria en esta ecuación). Subsecuentemente
Peterson (R.E.Peterson, 1974) refinó el procedimiento, y desarrolló el concepto
de sensibilidad a las muescas q, que se define de la forma:
(3. 32)
Donde Kt es el factor de concentración de esfuerzos teórico (estático) para esta
geometría particular, y Kf es el factor de concentración de esfuerzo a la fatiga
(dinámico). La sensibilidad a las muescas q varía entre 0 y 1. Esta ecuación se
puede volver a escribir en función a Kf:
Para Flexión (3. 33)
Para Torsión (3. 34)

49. 34
Figura 31. Curva de sensibilidad de muesca para aceros.
Recordemos los momentos calculados en los puntos del eje principal:
√
√
√
√
√
Ahora calculamos el valor de “q” de la figura 31 considerando lo siguiente:
 Radio de muesca de 2mm en los puntos “e”, “d”, “c” y un radio de
muesca de 1mm en el punto “B”.
 La resistencia a la tracción del material es de 880Mpa.
.
Figura 32. Diagrama de factores de concentración de esfuerzo teórico Kt
(flexión).

50. 35
Figura 33. Diagrama de factores de concentración de esfuerzo teórico Kts
(torsión).
Para hallar los factores de concentración de esfuerzos en tensión y torsión
necesitamos las dimensiones del eje, como son desconocidas trataremos de
aproximarlas. Por lo general siempre dejaremos un escalón de 5mm por lado que
sirva de tope a los rodamientos, por lo tanto la división de D/d estará alrededor
de 1.0X, por lo que en flexión asumiremos el valor de 1.05 y en torsión 1.09
para D/d. Los valores de r/d están alrededor de 0.01X, en nuestro caso
asumiremos 0.017 para flexión y torsión. Con los valores asumidos podemos
encontrar los valores de Kt y Kts de las figuras 32 y 33 respectivamente.
Con los valores de Kt y Kts podemos hallar los valores de Kf y Kfs para los
puntos “e”, “d” y “c”:
Para Flexión
Para Torsión
Para el punto “B”:
Para Flexión
Para Torsión
Asumiremos que el valor de Kfs será igual al valor Kfsm que se refiere al valor
medio.

51. 36
3.2.10. Cálculo del diámetro en el punto “e”
Se ha publicado una norma ANSI/ASME para el diseño de ejes de transmisión,
identificada como B106.1M-1985. Esta norma presenta un procedimiento
simplificado para el diseño de ejes. El procedimiento ASME supone que la
carga es a flexión totalmente alternante (con componente medio a flexión igual a
cero) y un par de torsión uniforme (con componente al par de torsión alternante
igual a cero) a nivel tal que genere esfuerzos por debajo del límite de fluencia
elástico a torsión del material. La deducción de la ecuación de un eje ASME es
de la siguiente manera:
Empezando con la relación para la envolvente de fallas:
( ) ( )
(3. 35)
Se introduce un factor de seguridad Nf:
( ) ( )
(3. 36)
Recordando la razón de Von Mises para Sys:
√
(3. 37)
Reemplazando:
( ) ( √ )
(3. 38)
Recordando:
(3. 39)
(3. 40)
Reemplazando:
[( ) ( )] *( ) (
√
)+ (3. 41)
Reorganizando la ecuación en función del diámetro:
{ [( ) ( ) ] } (3. 42)
Para elegir los factores de concentración de esfuerzos, si el material es dúctil,
Dowling (N.E.Dowling., 1993) sugiere alguno de los tres procedimientos
basados en Juvinall (R.C.Juvinall) dependiendo de la relación de esfuerzos
locales máximos al límite elástico del material dúctil.

52. 37
Figura 34. Variación del factor de concentración de esfuerzos medio con el
esfuerzo máximo.
Como mencionamos anteriormente; consideraremos Kfs igual a Kfsm. Estando
en una situación extrema consideramos un factor de seguridad conservador de
1.7. El diámetro en el punto “e”:
{ [( ) ( ) ] }
{ *( ) ( ) + }
3.2.11. Cálculo del diámetro en el punto “x”
Estando en una situación extrema consideramos un factor de seguridad
conservador de 1.7. El diámetro en el punto “x”:
{ [( ) ( ) ] }
{ *( ) ( ) + }
3.2.12. Cálculo del diámetro en el punto “d”
Estando en una situación extrema consideramos un factor de seguridad
conservador de 1.7. El diámetro en el punto “d”:
{ [( ) ( ) ] }

53. 38
{ *( ) ( ) + }
3.2.13. Cálculo del diámetro en el punto “c”
Estando en una situación extrema consideramos un factor de seguridad
conservador de 1.7. El diámetro en el punto “c”:
{ [( ) ( ) ] }
{ *( ) ( ) + }
3.2.14. Cálculo del diámetro en el punto “B”
Estando en una situación extrema consideramos un factor de seguridad
conservador de 1.7. El diámetro en el punto “B”:
{ [( ) ( ) ] }
{ *( ) ( ) + }
Resumiendo tenemos:
Incrementaremos los diámetros del eje para tener medidas más estándares
acorde con el diámetro de los rodamientos, considerando que en un lado
debemos hacer un estriado (Se define en el apartado 3.3), las ranuras para los
seguros seeger y el canal para la chaveta del engranaje de salida. Los nuevos
diámetros incrementados serán:

54. 39
Con estos nuevos valores de diámetro el eje tendrá las siguientes dimensiones
(en milímetros):
Figura 35. Dimensiones en milímetros de los diámetros del eje principal.
3.3. Cálculo de estriado en eje principal
Para transmitir el par de torsión del eje principal hacia el carrete o tambor usaremos el
estriado. El estriado esencialmente son “cuñas interconstruidas” formadas al darle un
contorno a la parte exterior del eje (árbol) y a la parte interior de la masa móvil (cubo)
con forma de diente. La forma de diente envolvente se utiliza de manera universal en
engranes y se utilizan las mismas técnicas de corte para el maquinado de ranuras en los
estriados. Además de su ventaja de manufactura, el diente envolvente tiene menos
concentración de esfuerzos y es más resistente. El SAE define normas tanto para la
forma del diente cuadrado como envolventes, y ANSI publica normas de ranuras
envolventes. La ranura envolvente estándar tiene un ángulo de presión de 30°. En
nuestro caso usaremos un paso diametral estándar de 6 con 27 dientes.
Calcularemos la geometría del estriado en el eje principal (árbol) y en la masa móvil
(cubo) teniendo en cuenta el esfuerzo al que será sometido según la norma ANSI B92.1,
también incluiremos el cálculo de la resistencia según Niemann (N, 1993.). Usaremos el
software KISSsoft el cual es usado para el cálculo y la construcción de engranajes para
maquinaria de construcción, gracias a la utilización de las normas vigentes (DIN, ISO,
AGMA), el software garantiza un diseño rápido y de gran calidad. El software verifica
el diseño y el cálculo según la resistencia del elemento con documentación sobre los
factores de seguridad y valores de longevidad.
Para el cálculo hemos considerado los siguientes datos de entrada:
 El toque considerado es el toque calculado en el apartado 4.2.1 (26,539.00Nm).
 El material del eje principal (árbol) es 34CrNiMo6, en su designación DIN
equivale a AISI 4340 (ver Anexo D).

55. 40
 La masa móvil (cubo) es de CK45, en su designación DIN equivale a AISI 1045
(ver Anexo E).
Figura 36. Resultados del cálculo de estriado del eje principal.
Los resultados, en la figura 36, muestran factores de seguridad conservadores
considerando que se están calculando para condiciones máximas, por lo tanto, las
dimensiones del estriado para transmitir del torque del eje principal al tambor o carrete
usando el encroche móvil son aceptables.
En la figura 37 se muestra el perfil de los dientes y una simulación del engrane.
Figura 37. Perfil de dientes y simulación de engrane del estriado de eje principal.
En las tablas 4 y 5 se muestran los principales datos para la fabricación del estriado en el
eje principal y en la masa móvil respectivamente. Estos datos son resultados del cálculo
realizado en el software.

56. 41
Tabla 4. Datos para la fabricación del estriado en el eje principal (árbol).
Tabla 5. Datos para la fabricación del estriado en la masa móvil (cubo).
El reporte del cálculo del estriado para el eje principal y la masa móvil realizado por el
software se muestra en el Anexo F.
3.4. Cálculo y diseño de la estructura y base del winche
3.4.1. Diseño de la caja de transmisión
Entiéndase que el diseño de la estructura o casco del winche se hace de forma
interactiva, mientras se ha diseñado y calculado el eje, los engranajes,

57. 42
rodamientos, seguros, retenes, etc. se dimensiona la caja de engranajes. Para
simplificar se presenta en este trabajo de tesis los diseños finales pues de no ser
así resultaría muy extenso este informe.
Para esta parte ya tenemos las dimensiones y distancias entre centros de los
engranajes y accesorios. La caja debe tener suficiente espacio para poder
maniobrar al momento de ensamblar los engranajes, el contra eje y accesorios
pues debemos valernos de un tecle o puente grúa para realizar esta operación.
Debemos diseñar teniendo en cuenta no hacer la caja demasiado grande pues
esto significa un alto costo en materiales y también un considerable volumen de
lubricante, tampoco hacer la caja muy pequeña pues los elementos en su interior
podrían calentarse durante la operación por tener poco espacio para la
circulación de aire y dificultando el montaje de los engranajes y accesorios. Esto
dependerá mucho del diseñador, en la figura 38 se presenta el diseño de la caja
de transmisión donde se indican sus principales medidas.
Figura 38. Principales medidas de la caja de transmisión en vista lateral.
En nuestro diseño se puede observar que la parte inferior de la caja de
transmisión es más angosta por motivos que los engranajes en esa zona son de
menor diámetro, además con esta forma podemos optimizar el uso de material.
Dentro de la caja colocamos lo que llamaremos “bandeja para aceite”, que es
una plancha de acero de ¼” de espesor en ASTM A36 (ver Anexo A) con una
forma definida que servirá para llenar de aceite solo lo necesario, teniendo en
cuenta que la lubricación de los engranajes sea muy eficiente. Se considera un
visor de nivel de aceite así como un drenaje para evacuarlo en ocasiones de
cambio o limpieza.

58. 43
Figura 39. Ubicación de la bandeja para aceite.
Figura 40. Principales medidas de la caja de transmisión en vista frontal.
En la figura 40 se muestra la vista frontal de la caja. Conociendo el ancho de los
engranajes se puede optimizar el ancho de la caja de transmisión considerando
un espacio suficiente para el montaje y para evitar el calentamiento. Como son
dos trenes de engranajes se ha considerado la instalación de un contra eje. Toda
la estructura es en plancha de acero de ½” de espesor en ASTM A36 (ver Anexo
A) con refuerzos para mayor consistencia, los soportes son de 1” de espesor y
las masas para eje son de AISI 1020 (ver Anexo C) hechas en fundición. Las
masas para eje son maquinadas a medida de los rodamientos, espaciadores y
retenes.
Toda la estructura es soldada según el código AWS D1.1. Para un correcto
ensamble y alineamiento, los soportes y masas deben ser mecanizados con un
acabado superficial N8. Como se mencionó anteriormente, el proceso de diseño
es interactivo, los refuerzos son colocados de manera que el equipo soporte los
esfuerzos durante la operación, más adelante se presenta el análisis en CAD.