Uso de la metodología TRIZ para el Diseño de Engranajes

TRIZ es una metodología, un sistema de herramientas, una base de conocimiento, y una tecnología basada en modelos para generar ideas y las soluciones innovadoras para la solución de problemas. TRIZ proporciona las herramientas y los métodos a usar en la formulación de problemas, el análisis de sistemas, el análisis de fallas, y patrones de evolución de los sistemas (tanto de su situación como de cómo podría ser.. TRIZ, en contraste con técnicas tales como las tormentas de ideas (que se basan en la generación al azar de la idea), apunta a crear un acercamiento algorítmico a la invención de nuevos sistemas, y el refinamiento de viejos sistemas. Algunas teorías TRIZ están en el dominio público, otras residen en las bases de conocimiento de organizaciones de asesores comerciales. Un proceso de desarrollo completo y abierto de TRIZ no es todavía evidente y determinante. Varios campos compiten para el control de TRIZ y la interpretación de sus resultados y usos. En este artículo se muestra por vez primera la aplicación de los principios TRIZ al diseño de engranajes cilíndricos de dientes rectos.

Palabras claves: Engranajes, TRIZ

ABSTRACT:

TRIZ is a methodology, tool set, knowledge base, and model-based technology for generating innovative ideas and solutions for problem solving. TRIZ provides tools and methods for use in problem formulation, system analysis, failure analysis, and patterns of system evolution (both 'as-is' and 'could be'). TRIZ, in contrast to techniques such as brainstorming (which is based on random idea generation), aims to create an algorithmic approach to the invention of new systems, and the refinement of old systems. Some TRIZ is in the public domain. Some TRIZ resides in knowledge bases held by commercial consulting organizations. A complete and open TRIZ development process is not yet evident. Various camps vie for control of TRIZ and interpretation of its findings and applications. In this paper application of TRIZ principles to spur gear design is showed for first time.

Key words: Spur gears, TRIZ

INTRODUCCIÓN

Entre los sistemas de innovación tecnológica más poderosos y sistematizados actuales, se encuentra el llamado "Método TRIZ", acrónimo ruso de la Teoría de Resolución de Problemas Inventivos (Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch).

TRIZ es un método probado parar potenciar la innovación y se ha aplicado con éxito en diferentes ramas de la ciencia. Entre las importantes empresas que han adoptado la metodología en sus productos o procesos, se pueden mencionar: Jet Propulsion Laboratories, BMW, Siemens, Intel, Ericsson, Texas Instruments, Bosch, Toyota, Philips, LG Electronics, entre otras muchas [1].

En el marco de las aplicaciones TRIZ a la ingeniería, no se tiene referencia de trabajos enfocados a transmisiones por engranajes.

Una transmisiones por engranajes exige un fuerte compromiso entre, los factores geométricos y los que tienen en cuenta la influencia de los concentradores de tensión para garantiza la capacidad de carga portante, régimen de explotación y vida útil deseada.

Hasta inicios de 1946 se pensaba que el proceso mental, que lleva a producir un invento o una innovación tecnológica, era algo fortuito que dependía del estado mental del inventor. Aún en la actualidad pocas personas, incluyendo a los psicólogos y estudiosos del proceso creativo e innovador, saben que existe un método sistemático para producir inventos llamado TRIZ, acrónimo, del idioma ruso, de las palabras: Teorija Rezhenija Izobretatelskih Zadach. La misma que se ha traducido a varios idiomas como: The Russian Theory of Inventive Problem Solving, en Inglés y en español: Teoría Innovadora para la Solución de Problemas [2, 3].

El ingeniero ruso de 22 años Genrich Altshuller, que por entonces era un examinador de patentes de la armada Soviética, tamizó 1.500.000 patentes, quedándose con 200.000 de ellas tratando de buscar solo los problemas inventivos y la forma en que fueron resueltos. De estas solo 40.000 patentes fueron consideradas por inventivas en el año 1990 [4]. Ello le llevó a catalogar una serie de pasos necesarios, presentes en la mayoría de invenciones y que podían aplicarse a cualquier nueva invención que se intentara acometer [5].

Se trata de una metodología de resolución de problemas basada en un acercamiento lógico y sistemático. TRIZ puede ser utilizado como un instrumento intelectual poderoso para solucionar problemas técnicos y tecnológicos, sencillos y difíciles, más rápidamente y con mejores resultados [6].

ALGUNOS CONCEPTOS Y DEFINICIONES

Las contradicciones en la Metodología TRIZ

Las contradicciones se consideran el origen de todo problema técnico. Una contradicción surge cuando dos necesidades de un producto o proceso están en conflicto y sin embargo están asociadas para alcanzar un objetivo [7].

El concepto de idealidad

Un concepto fundamental es el de idealidad que según el enfoque de TRIZ es la tendencia natural de todos los sistemas técnicos de acuerdo a un proceso de evolución creciente y se representa a menudo como la suma de todas las funciones útiles de un sistema dividido por la suma de todos sus efectos dañinos o nocivos [8]. Es decir:

Todos los tipos de costos: los efectos indeseados, los desechos, los elementos contaminantes, son considerados como efectos indeseables. El costo del sistema incluye el espacio físico utilizado, el ruido provocado, la energía consumida, el tiempo implicado, los desechos y los retrabajos, en fin, todo lo que resulte de una calidad deficiente. Todas las modificaciones aceptadas buscan la idealidad, o sea, aumentar el numerador y/o reducir el denominador de la ecuación anterior [9].

APROXIMACIÓN A LA METODOLOGÍA TRIZ

El planteamiento adecuado de cualquier problema de inventiva o innovación tecnológica, proporciona en gran medida, o la solución más adecuada o señala el mejor camino a seguir [10].

La problemática se potencia cuando se examinan herramientas y/o métodos de apoyo al diseño, un análisis detallado indica que de todos los ámbitos del diseño, especialmente el relacionado con la mecánica y sus derivaciones, es el diseño conceptual el más huérfano de apoyo de herramientas, metodologías y hasta tecnologías. Esto hasta que surgiera con fuerza la alternativa del Método TRIZ. Es básicamente una metodología estructurada para la innovación, que examina los problemas de inventiva en forma metódica, explorando espacios de soluciones para generar ideas creativas. La figura 1 ilustra la fuerza metódica de TRIZ, indicando que el problema inicial pasa por una serie de etapas hasta que es posible formular el problema correctamente, identificar la contradicción que ha de resolverse correctamente para resolver e implantar la solución [11].

Figura 1. Parámetros conceptuales de TRIZ [11].

Todos los modelos de diseño, las metodologías e incluso las filosofías de diseño ven en TRIZ, lo que han venido a definirse como "una actividad", dominios de interacción entre el usuario y el objeto". La gran cuestión es el corazón del proceso de diseño, esto es el proceso de creación, de inventiva, de creación de una cosa nueva, que se denomina diseño conceptual [11]. Autores como Rantanen y Domb [12] presentan los pasos de la metodología TRIZ, como se muestra en la figura 2.

Figura.2. Esquema de solución de problemas usando TRIZ [13].

Donde:

• Problema particular o específico. Este problema específico se debe plantear en un problema genérico, es decir, se deben usar los 39 parámetros técnicos de TRIZ. Todo sistema puede plantearse como un problema genérico y este problema tendrá una contradicción particular.

• Problema genérico: En esta etapa, vamos a lo que en TRIZ se conoce como la Matriz de Contradicciones, cuya función es mostrar cómo otros problemas generales análogos al que planteamos han sido resueltos por medio de la historia del conocimiento.

• Solución general: Son conocidas como Principios de Inventiva.

• Solución específica: Finalmente, al usar estas soluciones generales, tratamos de solucionar nuestro problema específico. Este tipo de procedimiento nos permite romper con la inercia psicológica y, de esta manera, se logran soluciones innovadoras a problemas concretos.

PRINCIPIOS INVENTIVOS Y CARACTERÍSTICAS O PRÁMETROS DE LOS SISTEMAS TECNOLÓGICOS QUE PROPONE ALTSHULLER.

Altshuller desarrolló los denominados "40 principios de invención", que se especifican en la tabla 1

Tabla 1.1- Principios de invención[10].

A continuación en la tabla 2 se muestra los 39 parámetros o características que tienen los sistemas tecnológicos propuestos por Altshuller.

Tabla.2. Parámetros o características [10].

MATRIZ DE CONTRADICCIONES

La Matriz de Contradicciones es el lugar donde se contrastan las características o parámetros del sistema tecnológico que se deben mejorar, frente a los parámetros de diseño que se deterioran o empeoran. En la intersección de estos se establecen los principales principios de inventiva involucrados que han de ser empleados en solución de una contradicción particular. La matriz de contradicciones muestra los principios que han de ser empleado en la solución de la contradicción.

PASOS QUE COMPRENDE EL USO DE LA MATRIZ DE ALTSHULLER [11]:

• Ante un determinado problema de diseño se ha de identificar los elementos del mismo con dos parámetros o características.

• Posteriormente se identifica la correspondencia entre los dos parámetros o características de diseño citadas con alguno de los 39 parámetros generalizados de Altshuller.

• Se buscan los principios de inventiva que permitan resolver el conflicto de diseño usando la matriz. Existen herramientas desarrolladas en Excel en que los parámetros generales tienen números asociados con ellos, se ha de buscar el correspondiente corte entre las filas y columnas que poseen esos números asociados.

• Los números que aparecen en la celda correspondiente, corresponden a principios de inventiva.

• Se debe analizar cada uno de los principios de inventiva resultantes y establecer si están en correspondencia con la naturaleza del problema.

Se ha de tratar de adaptar los principios de inventiva correspondientes a posibles soluciones del problema de diseño.

EJEMPLO DE APLICACIÓN TRIZ AL DISEÑO DE TRANSMISIÓN DE ENGRANAJES CILÍNDRICOS DE DIENTES RECTOS.

Se desea diseñar una transmisión abierta de engranajes cilíndricos de dientes rectos, cuyas exigencias técnicas de diseño se muestran en la tabla 3:

Tabla 3. Exigencias técnicas de diseño.

PROPUESTA DE DISEÑO SIGUIENDO LOS PASOS DE LA METODOLOGÍA TRIZ

• PROBLEMA PARTICULAR O ESPECÍFICO

En las transmisiones cilíndricas de dientes rectos, resulta crítico el comportamiento del diente en la resistencia a la fatiga por flexión. Por lo que se requiere encontrar cuales son las condiciones geométricas que garantizan el mejor desempeño de este. En el caso de las transmisiones abiertas que se desea garantizar la máxima resistencia a la flexión, se ha demostrado, que haciendo cambios en la geometría del diente puede variarse el comportamiento de la transmisión; sin embargo se deteriora el factor de recubrimiento, el cual influye notablemente en la potencia a transmitir.

Parámetro que se desea mejorar: Resistencia a la fatiga por flexión, el cual es uno de los criterios más importantes a considerar en el diseño de engranajes, también conocido como fallo por rotura en la base del diente. Se corresponde con el parámetro número 14 (Resistencia).

Parámetro que se deteriora: Factor de recubrimiento. Este parámetro es de gran importancia en las transmisiones por engranajes, dando una idea de los pares de dientes que se encuentran simultáneamente en contacto a lo largo de la línea práctica de engranajes.

Mientras más alto sea este valor, más suavemente funcionará la transmisión y más potencia será capaz de transmitir [14]. Se corresponde con el parámetro número 21 (Potencia).

• PROBLEMA GENÉRICO:

Selección de los principios de inventiva usando la matriz de contradicciones. A continuación se muestra en la tabla 4, la intersección de los parámetros contradictorios.

Tabla 4. Matriz de contradicciones.

La matriz de contradicciones propone los principios de inventiva que según Altshuller deben ser empleados en la solución de la contradicción (10, 26, 28 y 35).

Análisis de cada uno de los principios de inventiva:

Principio 10. Acción anticipada. (No se corresponde con la naturaleza del problema)

Principio 26. Copiado. (No se corresponde con la naturaleza del problema)

Principio 28. Remplazar un sistema mecánico con otro sistema. (No se corresponde con la naturaleza del problema)

Principio 35. Transformación de propiedades. (No se corresponde con la naturaleza del problema)

Luego de un estudio detallado de cada uno de los principios que sugiere la matriz, así como de los restantes propuestos por el profesor Altshuller, no se dispone principios que tenga asociada una definición que permita resolver la contradicción del problema planteado. Teniendo en cuenta que las transmisiones por engranajes presentan un alto grado de exigencias y especificaciones de diseño, propias de esta metodología para dar respuestas a las diferentes exigencias técnicas que se presentan, se propone incorporar el siguiente principio de inventiva:

Variación de la geometría:

Definición: Reacondicionar la forma geométrica de un objeto, sistema tecnológico o parte de este, en función de su comportamiento.

Argumentación: Está demostrado que en el diseño mecánico, muchas veces es la variación de la geometría de un objeto o sistema tecnológico, la que da solución a disímiles problemas de ingeniería, puesto que en muchas ocasiones de esta depende el comportamiento.

Como ejemplo se puede mencionar el cambio en la aerodinámica del fuselaje de los aviones, en la carrocería de los automóviles, trenes y todos los medios de transportes, el cual influye notablemente en la resistencia al aire. Los

grandes depósitos de combustibles con formas de domos geodésicos, cilíndricos con casquetes esféricos, en los cuales a de garantizarse la máxima resistencia al almacenar grandes volúmenes. La tendencia en las cámaras de combustión de los motores de combustión interna a ser esféricas y así garantizar la menor superficie de contacto para que la mayor cantidad de energía sea transformada en trabajo. En el diseño de perfiles para la carpintería de aluminio donde la geometría define la resistencia y rigidez con el menor costo por concepto de material.

Se puede afirmar que la geometría juega un papel importante en la resistencia, costos, fiabilidad, durabilidad, etc de los sistemas tecnológicos. Por lo que el principio de inventiva, variación de la geometría el cual responde a la definición antes planteada, se corresponde con muchas de las soluciones en el marco de la ingeniería.

• SOLUCIÓN GENERAL

Aplicar el principio de inventiva, variación de la geometría y así garantizar la máxima resistencia a la flexión para las exigencias de diseño planteadas.

• SOLUCIÓN ESPECÍFICA

Para garantizar la resistencia a la fatiga por flexión, se cambia la geometría del diente mediante el desplazamiento de la herramienta. La esencia del desplazamiento del engranaje consiste en que, según sea la necesidad del cambio de unas u otras características del mismo, se utilizan distintos sectores de la evolvente de la circunferencia básica dada [15]. El grado de desplazamiento, se determina por los coeficientes de corrección X1 y X2. Con el cambio de la magnitud de éstos, varían las dimensiones relativas de los dientes, puesto que cambia el desplazamiento real de la herramienta, con respecto a la pieza que se elabora [15]. Mediante el desplazamiento, puede aumentarse la capacidad portante de los engranajes [16-18] debido a:

Y Engrosamiento del diente cerca de su base.

Y Posibilidad de reducir el número de dientes y aumentar respectivamente el módulo.

Y Aumento de los radios de curvatura de las superficies de la evolvente.

Y Disminución del deslizamiento específico.

CÁLCULO DE RESISTENCIA IMPLEMENTANDO EL PRINCIPIO "VARIACIÓN DE LA GEOMETRÍA".

Como herramienta de cálculo se utiliza el programa desarrollado por la compañía AUTODESK, denominado Autodesk Inventor Professional 2008. El mismo cuenta con un módulo de cálculo de engranajes cilíndrico de dientes rectos denominado Spur Gears Component Generator, que permite realizar tanto el cálculo geométrico como el chequeo de resistencia por las metodologías ANSI, Bach, Merrit, ISO, DIN y CSN. Para el diseño de la transmisión se selecciona la metodología ISO la cual responde al procedimiento seguido en la norma internacional ISO 6336(Todas las variables están acorde con la norma utilizada).

Parámetros geométricos de diseño:

Selección de los coeficientes de corrección para máxima resistencia a la flexión [18].

La caja de diálogo Design figura 3, muestra todos los parámetros del cálculo geométrico.

Figura 3. Caja de diálogo Design.

La caja de diálogo Calculation figura 4, muestra los valores y parámetros seleccionados para el chequeo de resistencia.

Figura 4. Caja de diálogo Calculation.

Teniendo en cuenta la influencia que tiene cambiar el perfil del diente sobre el factor de recubrimiento se muestran en la tabla 5 los valores obtenidos para las siguientes variantes:

Tabla.5. Valores del factor de recubrimiento.

Nota: Para ambas variante se tuvo en cuenta las mismas condiciones de diseño, tanto para el cálculo geométrico como para el chequeo de resistencia.

RESULTADOS OBTENIDOS DEL CHEQUEO DE RESISTENCIA

Los valores mínimos de coeficientes de seguridad deseados son:

A continuación la tabla 6, muestran los resultados obtenidos del cálculo de resistencia para ambas variantes.

Tabla 6. Resultados del cálculo de resistencia para ambas variantes

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS:

Y Aunque la falla por resistencia que decide la rotura en las transmisiones abiertas no es la picadura, se ha de garantizar la resistencia límite del piñón y corona. Las tensiones de contacto en la variante No.1 sin desplazamiento, para el piñón supera la permisible, lográndose disminuir en un17% al cambiar la geometría del diente haciendo el desplazamiento de la herramienta, variante No.2.

Y Las tensiones a flexión en la variante No.1 sin desplazamiento, para el piñón no supera la permisible; pero no se obtiene el nivel de seguridad requerido para garantizar que no ocurran fallos por este concepto. Sin embargo al modificar la geometría del diente corrigiendo ambos engranes, variante No.2, las tensiones a flexión disminuyen en un 35,8 %.

Y En ambas variantes las tensiones a flexión para la corona no supera la límite.

ANÁLISIS DEL CONCEPTO DE IDEALIDAD.

Una concepción ideal proporciona las funciones requeridas sin que, de hecho, tales funciones existan, puesto que el "ideal" en este contexto es un enfoque subjetivo que opera como una meta referencial. Así es como evoluciona la calidad y los diseños [19].

En la solución dada a este problema se cumple la Ley de Idealidad:

Al corregir la transmisión se eliminan los efectos indeseados que se presentan sin hacer corrección. Teniendo en cuenta que los costos que intervienen son similares para ambos casos, se demuestra que el sistema evoluciona, cumple mejor su función. En este caso se logra aumentar la capacidad de carga de la transmisión.

CONCLUSIONES:

• Se diseño una transmisión por engranajes cilíndricos de dientes recto, dando solución a la contradicción técnica haciendo uso de la metodología TRIZ.

• Dado que no se encontró correspondencia entres los principios planteados por Altshuller para resolver el problema, se propone un nuevo principio que puede dar solución a múltiples contradicciones de diseño en este tipo de transmisión.

• TRIZ aplicado al diseño, demuestra ser una metodología paso a paso, concibe de forma rápida la posible solución. Lo cual es muy útil para buscar la mejor solución.

BIBLIOGRAFÍA.

• Método TRIZ. 2008 [cited; Available from: http://www.triz.net/metodoIndustriaDown.html.

• Kaplan, S., "An introduction to TRIZ, the Russian Theory of Inventive Problem Solving". 1996: Ideation International, Inc.

• Chamorro, C.V., Metodología TRIZ para la Innovación Tecnológica e Inventiva. 2008.

• Isoba, O. TRIZ ó La Teoría de Resolución de los Problemas inventivos. 2006 [cited; Available from: http://www.monografias.com/trabajos55/resolucion-problemas-inventivos/resolucion-problemas- inventivos.

• "Método TRIZ". 2009 [cited; Available from: http://www.triz.net/metodo.html.

• Korner, K. Fundamentos de TRIZ – Lección 1 2009 [cited; Available from: http://www.innovacion- sistematica.net/is/leccion1-fundamentosdetriz.html.

• López, D.E.C., ed. LA METODOLOGÍA TRIZ Y SU IMPACTO EN LA INNOVACIÓN INDUSTRIAL EN MÉXICO. 1999.

• ALTSHULLER, G., And suddenly the inverntor Appeared, TRIZ, The Theoryof inventive problem solving. 1996, Technical Innovation Center, Inc Worcester, MA.

• Córdova, E., TRIZ: Une manière innovante de résoudre les problèmes d"Ingénierie. 1999, Instituto Nacional Politécnico de Toulouse: Francia.

• Maldonado, M.C., Innovación Sistemática Mediante TRIZ. 2005.

• Martinez, P.S.P.F.P., ALCANCES Y APLICACIONES EN LA FASE DE DISEÑO CONCEPTUAL DE TRIZ, TEORÍA DE RESOLUCIÓN ACELERADA DE PROBLEMAS DEL ÁMBITO MECÁNICO EN CHILE. 2007, 8vo Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica.

• Rantanen, K.y.E.D., Simplified TRIZ: New Problem Solving Applications for Engineers and Manufacturing Professionals. 2002, Boca Raton: FL: CRC St. Lucie Press.

• Ames, W.C., ADMINISTRACIÓN TRIZ, la herramienta del pensamiento e innovación sistemática. 2008.

• Rodriguez, J.L.M., El proyecto de curso en la Teoría de Mecanismos y Máquinas. 1988.

• Angel S. Machado Rodríguez, Elevación de la capacidad portante en los engranajes cilíndricos mediante el desplazamiento del dentado. 2007, 8vo Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica.

• Cherkashin, B.P., Selección de los coeficientes de corrección óptimos para los dientes de un engranaje. 1980, Viestnik Mashinostroienia.

• Dudley, D.W., Manual de Engranajes. 1980, Continental: México.

• Reshetov, D., Elementos de máquinas. 1985, Editorial Pueblo y Educación: La Habana.

• Córdova, E., LA METODOLOGÍA TRIZ Y SU IMPACTO EN LA INNOVACIÓN INDUSTRIAL EN MÉXICO. 1999.

Autor:

J.L. Moya, A.S. Machado, Reiner Robaina

Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Central de Las Villas. Carretera a Camajuaní, Km. 3 1/2, CP 54830. Santa. Clara. Villa Clara. Cuba.

J.A. Velázquez, R Mestizo

Facultad de Mecánica – Eléctrica.. Universidad Veracruzana. Xalapa. México.

J. A. Cárdenas

Facultad de Ingeniería Mecánica. I.U.T. La Victoria. Venezuela.

R. A. Goytisolo

Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Cienfuegos.

Cuatro Caminos, CP 59430. Cienfuegos, Cuba.