Proyecto de timón laminado sobre poliestireno extruido

[Zalata]

Buenas,

Originalmente publicado por Bluemast

No te confundas, el timón recibe altas cargas, sólo que las soportan los cojinetes o casquillos de apoyo.

Coincido plenamente con bluemast, y en especial a las altas cargas del timon. Si quieres hace run timon, has de tener en cuenta determinadas cosas. Si no, te expones al riesgo de que se te parta (y no seria el primero).

Dicho esto, y como complemento a lo que se ha ido diciendo, adjunto unas fotos de un timon que hemos diseñado y fabricado. Aunque no puedo dar muchos detalles (no lo he hecho para mi), si que puedo comentar sobre el proceso de construccion sin molde. Lo primero es partir de una pieza de espuma de PVC de media densidad, mecanizada en dos mitades. En nuestro caso la forma la hemos dado por control numerico. Es fundamental que quede bien, porque los fallos aqui se amplifican en la superficie.



Despues se hacen las acanaladuras de la mecha (estas se pueden hacer perfectamente a mano), y se pega la mecha con un adhesivo de calidad con base de epoxy (en nuestro caso Spa Bond de SP).



Despues se pegan las dos mitades con resina cargada, en nuestro caso epoxi. Es fundamental que la espuma lleve orificios para que "sude" el excesos de resina, y afirmar correctamente las dos mitades. Listo esto, se procede con los laminados. En nuestro caso hemos laminado con unidireccional (refuerzos longitudinales) y despues biaxial y tejido, todo en carbono. Se puede laminar en fibra solo con tejido, dando suficientes capas y, a ser posible, orientando el tejido tambien a +- 45.




Para un mejor acabado (compactacion de resina y fibras) es mejor hacerlo al vacio, y no es nada caro. En este caso, se dispone la fibra, se enresina, se coloca el peel-ply, la manta absorvente, y por ultimo se mete en la bolsa de vacio. El resultado es muy muy bueno, tanto mecanicamente como esteticamente (== menos trabajo de lijado)



Teniendo en cuenta los costes del proceso, la mejor relacion calidad/precio la tienes con fibra de vidrio y vinylester. El epoxi es muy puñetero en porcentajes de mezcla y temperaturas de curado (si quieres hacerlo bien, claro).

c'est tres facile!!!

[soneya]

Me ha dado mucha alegría los dos últimos email, porque me animan a seguir desarrollando mi proyecto....
Hay algunas diferencias en la forma de trabajo del timón del Sirocco respecto a las palas modernas. Mientras estas trabajan en ménsula la del Sirocco trabaja biempotrada. Esto es fundamental a la hora de realizar un análisis de esfuerzos.
El codaste es el elemento que, cuando giramos el timón, transmite los esfuerzos generados al casco. Su forma denota que trabaja a cortante y a momento (momento de empotramiento) Pero como esta parte no se toca, pasamos a la pala.
Si deducimos las cargas máximas sobre la pala del timón equilibrando momentos, podemos hacer la siguiente ecuación:
Fuerza (mano timonel) x brazo de palanca ( longitud del timón ) = suma de fuerzas sobre la cara del timón x brazo palanca (pongamos aplicada la resultante en el centro pala ).
Pongamos algunos números....
Mano timonel = 25 kg (creo que es lo máximo que aguantaría un timonel normal sin gimnasio diario)
Longitud timón = 1,25 m
Brazo punto aplicación resultante = 0,25 m
carga por superficie = ? ? ?
Despejando salen 125 kg a repartir entre su superficie (150 x 50 = 7500 cm2)
La carga máxima que soportaría la pala por superficie sería 125/7500 = 0.017 kg/cm2
Creo que hay que cuidar la ejecución, pero no es un tema de resistencia de materiales. Vamos sobradísimos.
¿ qué opináis ?

[soneya]

Véase estructura de codaste y pala del Sirocco

[kailu]

Un timón bien compensado puede hacer que la caña la lleves con un dedo, pero eso no significa que no tenga esfuerzos importantes.
En tu caso el "skec" (perdonar no se como se escribe) debería absorber los esfuerzos laterales, pero al ser una pala no compensada, ojo !!!
con los esfuerzos a torsión de la mecha y su disipación en la pala.

[Xeneise]

Yo también creo que vas sobrado
Tampoco es para el titanic y he visto cada pala en los varaderos que
Me parece que si la estructura de la mecha va bien anclada (sin juegos obviamente) y estanco (por supuesto) No tendrás mayores problemas.

[soneya]

Originalmente publicado por kailu

Un timón bien compensado puede hacer que la caña la lleves con un dedo, pero eso no significa que no tenga esfuerzos importantes.
En tu caso el "skec" (perdonar no se como se escribe) debería absorber los esfuerzos laterales, pero al ser una pala no compensada, ojo !!!
con los esfuerzos a torsión de la mecha y su disipación en la pala.

Lógicamente la ecuación de equilibrio de momentos la hago con un sólo término porque se trata de un timón sin compensar. Si no lo fuese valdría la misma ecuación, incluyendo un momento positivo (popa del eje del timón) y otro negativo (proa del eje del timón)
Mi esquema hace más hincapié en la unión de las dos mitades del timón donde meto un laminado para favorecer las transmisión de esfuerzos relleno/bastidor de inox., que el la piel de la pieza, que creo va sobrada con un biaxial 600 gr/m2 y epoxi. La zona donde preveo más esfuerzos es la de contacto entre bastidor inox y relleno.

[Bluemast]

Elcáculo de momentos que has hecho es incompeto, prque parte de los esfuerzos los absorben los apoyos en el Skej / codaste. Así, sólo "llega" a la caña una parte de los esfuerzos.

Hace poco he hecho un timón para un barco de regata. Más pequeño que el Siroco. Con biaxiales y refuerzos locales de unidireccional y epoxy / PVC

600 gr es poco.

No olvides refuerzos locales en los empotramientos. Y reemplazar en esas zonas la espuma por otra de alta dessidad o contrachapado marino (BWP)

[Zalata]

Originalmente publicado por kailu

En tu caso el "skec" (perdonar no se como se escribe)

skeg=codaste

Originalmente publicado por soneya

Pongamos algunos números....
Mano timonel = 25 kg (creo que es lo máximo que aguantaría un timonel normal sin gimnasio diario)
Longitud timón = 1,25 m
Brazo punto aplicación resultante = 0,25 m
carga por superficie = ? ? ?
Despejando salen 125 kg a repartir entre su superficie (150 x 50 = 7500 cm2)
La carga máxima que soportaría la pala por superficie sería 125/7500 = 0.017 kg/cm2
Creo que hay que cuidar la ejecución, pero no es un tema de resistencia de materiales. Vamos sobradísimos.
¿ qué opináis ?

Creo que te equivocas con el razonamiento y con el calculo. Veamos algunos numeros (bastante bien aproximados numeriamente) de la pala de timon de mi barco. Cuando el timon se gira 5º, la fuerza hidrodinamica que genera lateralmente (y tiende a flexarlo) es de 500N a 5kn. Vale no es excesivo. Pero a 10º y a 5 kn ya son 2000N. Y los mismos 10º pero a 6kn (lo que equivale a corregir en una ola, sin mucho viento) 2900 N (redondeemos a unos 285 Kg). Y no he puesto nada extremo, que es cuando parten los timones.

Efectivamente, la presion que se ejerce sobre las caras del mimon es muy pequeña, y de hecho la puedes despreciar. Pero no los momentos flexores y torsores, que son elevados. Incluso con codaste (si bien es cierto, que la flexion se lleva la peor parte el codaste, la torsion se la "chupa" la pala). En que se traduce todo esto? Pues en que si el alma del timon no recibe bien los esfuerzos de la mecha, se descompondra. Sobre todo porque al no haber compensacion en la pala, el momento de torsion que produce la mecha es altisimo, mucho mayor que en una pala compensada (ya que en este caso la fuerza hidrodinamica ayuda).

Por lo demas, si el forro es de 2 x 600 g/m2, es un poco justo para el vidrio (en el ejemplo de antes habia unos 1200 g/m2 de carbono). Pero lo mas critico es que resuelvas bien la estructura interna. Por cierto, lo que vas a usar es realemnte biaxial o tejido (twill)?. Lo digo porque es mucho mucho mas comodo trabajar con tejido que con biaxial. Y en tu caso la diferencia mecanica va a ser muy pequeña.

[soneya]

El análisis hecho es una simple ecuación de equilibrio de momentos, partiendo de un valor razonable (lo que un timonel puede aplicar a la caña del timón para compensar las fuerzas que se generan al aplicar timón) para despejar una incógnita que es más dificil de calcular mediante dinámica de fluidos. Una vez conocidas las fuerzas sobre la superficie de la pala, entramos en cálculo de resistencia de materiales.
Analicemos cómo se comporta una pala cuyo eje está empotrado arriba y abajo.
Si analizamos la sección horizontal, la pala es una ménsula o voladizo. Por tanto dicha sección trabaja a cortante y a flexión. La flexión se convierte en torsión respecto al eje y el cortante en carga perpendicular al mismo.
Respecto a la sección longitudinal, al asimilarse a una placa rectangular con un borde apoyado, es más complejo analizar los esfuerzos, pues tenemos alabeo y flexiones en dos direcciones.
Pero la conclusión es que, si no se incurren en defectos graves de ejecución, y dada la alta resistencia de los compuestos de fibra y resinas, el generoso grosor del eje del timón, los bastidores de inox que entran en la pala para recibir los esfuerzos, y las bajas cargas que recibe la pala por superficie, no debe haber problemas de resistencia de materiales.
Otra cosa es que el codaste flecte y el modelo no se ajuste a la realidad, aumentando los esfuerzos en la unión pala con mecha del timón. Esta parte del diseño la haré pensando que la pala trabaja en voladizo (que no existe el codaste)
En fin, estoy analizando mientras escribo .... pero es que, aunque llegue a la misma conclusión a la que otros ya han llegado, me gusta saber el porqué....
Lo malo de estas experiencias es que no puede uno equivocarse

[Bluemast]

Originalmente publicado por soneya

El análisis hecho es una simple ecuación de equilibrio de momentos, partiendo de un valor razonable (lo que un timonel puede aplicar a la caña del timón para compensar las fuerzas que se generan al aplicar timón) para despejar una incógnita que es más dificil de calcular mediante dinámica de fluidos. Una vez conocidas las fuerzas sobre la superficie de la pala, entramos en cálculo de resistencia de materiales.
Analicemos cómo se comporta una pala cuyo eje está empotrado arriba y abajo.
Si analizamos la sección horizontal, la pala es una ménsula o voladizo. Por tanto dicha sección trabaja a cortante y a flexión. La flexión se convierte en torsión respecto al eje y el cortante en carga perpendicular al mismo.
Respecto a la sección longitudinal, al asimilarse a una placa rectangular con un borde apoyado, es más complejo analizar los esfuerzos, pues tenemos alabeo y flexiones en dos direcciones.
Pero la conclusión es que, si no se incurren en defectos graves de ejecución, y dada la alta resistencia de los compuestos de fibra y resinas, el generoso grosor del eje del timón, los bastidores de inox que entran en la pala para recibir los esfuerzos, y las bajas cargas que recibe la pala por superficie, no debe haber problemas de resistencia de materiales.
Otra cosa es que el codaste flecte y el modelo no se ajuste a la realidad, aumentando los esfuerzos en la unión pala con mecha del timón. Esta parte del diseño la haré pensando que la pala trabaja en voladizo (que no existe el codaste)
En fin, estoy analizando mientras escribo .... pero es que, aunque llegue a la misma conclusión a la que otros ya han llegado, me gusta saber el porqué....
Lo malo de estas experiencias es que no puede uno equivocarse

Con biaxiales y refuerzos locales de unidireccional y epoxy / PVC

600 gr es poco.

No olvides refuerzos locales en los empotramientos. Y reemplazar en esas zonas la espuma por otra de alta dessidad o contrachapado marino (BWP)

[soneya]

Hoy he estado terminando de eliminar toda la madera de balsa podrida del techo de la cabina (menuda paliza me estoy dando). Estaba pensando en cómo realizar el acabado, sin tener que utilizar el carísmo panel de espuma de PVC (Airex). Se me ha ocurrido utilizar placas de PVC encoladas, a modo de contrachapado marino. Tengo placas de 4 mm, una de más densidad y otra de menos (que se puede curvar calentándola), y estaba pensando, si me da buen resultado, utilizarla para la pala del timón.
La sección máxima de la pala es de 70 mm.
¿ me podéis decir el espesor de cada capa de laminado ?
¿ depende del gramaje de la fibra ?

Quiero ir dibujando la estructura de la pala y quisera ir poniendo ya dimensiones.

[kailu]

mas menos 0.1 mm por cada 100 gr/m2 de tejido

[Bluemast]

Originalmente publicado por kailu

mas menos 0.1 mm por cada 100 gr/m2 de tejido

Correcto
Dado que no es un barco de regata y 100 gr no son críticos, yo le metería 3 X Biax vidrio 600 = 1800 Gr = 1,8 mm aprox

Núcleo PVC

Y además, los refuerzos locales en pinzotes, al menos +2 biax vidrio 600

y contrachapado en núcleo pinzotes

[soneya]

El próximo sábado voy a desmontar el timón y a diseccionarlo..... (dividirlo el dos) Como se me está acumulando la faena en la varada voy a ver si puedo reutilizarlo.
Cuando tenga el énfermo sobre la mesa agradeceré vuestros consejos; si no se puede salvar seguiré el plan de hacer la pala nueva.