Diseño y cálculo de un chasis para ascensor

En este artículo vamos a explicar los pasos que se deben seguir para diseñar y calcular un chasis de ascensor eléctrico; aunque muchas pautas también servirán para obtener un diseño de chasis de ascensor hidráulico o montacargas, montacoches o homelift. ¡La ingeniería del ascensor!

Chasis de ascensor para la cabina

Aquí mostramos el mapa de conceptos que habría que tener en cuenta a la hora de diseñarlo.

Como se ve, hay muchas, muchas cosas a tener en cuenta, y seguro que si te pones a diseñar y calcular uno te surgirán más puntos a tener en cuenta.

En los siguientes apartados vamos a ir desglosando y explicando cada uno de ellos.

Necesidades que se deben cubrir

Es necesario tener claro todos los puntos siguientes y todas las opciones y variaciones que pudieran ser necesarias antes de empezar a pensar en el diseño.

Estos factores implicarán ya determinadas formas de ingeniería que se deberán respetar en el diseño ascensores.

• Pórtico – Mochila. Nos determina la forma general del chasis y la disposición de los elementos así como los puntos de apoyo, de cargas, …

• Hidráulico – Eléctrico. Nos marcará la forma y los puntos de suspensión y empuje del chasis .

• Suspensión: 1:1 – 2:1 – 4:1. Nos determina si el chasis tendrá un punto fijo donde se amarrarán los terminales de suspensión de los cables, o si es necesario diseñar un sistema de reenvío de poleas en el chasis.

• Carga útil (Q) – Carga Total max (P+Q): importantísimo saber la carga que debe transportar el ascensor, cuántas personas va a trasladar.

• Velocidad nominal (m/s). Nos determinará el tipo de caja de cuñas que será necesario adaptar, entre otros aspectos

• EG max (Distancia entre guías). Es la distancia entre cabezas de guías por las que deslizará el chasis de cabina. Nos determina la dimensión máxima de las vigas entre largueros.

• Dimensión máxima de cabina. Viene determinado por la carga útil (Q) en la norma UNE -EN81:20.  Depende, por un lado de la EG máxima y mínima; y, por otro, del máximo fondo de cabina ya que es importante para determinar el máximo voladizo que debería tenerse en cuenta en un chasis mochila.

• Guias permitidas. Importante para determinar el sistema de guiado.

• Caja de cuñas. Determinar el modelo o modelos que se deben adaptar en el chasis.

• Poleas (si necesita). Diámetros y anchuras que tendrán.

• Sistema de guiado: Rozaderas, rodaderas, triple rodadera. Influye en el confort del ascensor, en su mantenimiento y en la vida útil del mismo.

• Número y diámetro de cables. Es necesario saber cuántos cables y de qué tipo son, es muy importante hacer un cálculo según la normativa aplicable. SAMAT dispone de una herramienta para el cálculo de cables del ascensor.

• Normativa exigida que debe cumplir el ascensor: UNE-EN81-20, UNE-EN81-21, UNE-N81-22, etc.  Tendrás que tener claro cual o cuales de todas las normas vigentes te afectan para tenerlas en cuenta.  Podrán indicar la inclusión de componentes adicionales que habrá que diseñar y calcular, por ejemplo, sistema de enclavamiento mecánico para chasis eléctricos en instalaciones sin cuarto de máquinas. Los ascensores en España, como no podía ser de otra forma, deben cumplir la normativa europea.

Proceso de fabricación

¿Ya sabes qué instalaciones van a fabricar el chasis que estás pensando diseñar y calcular? Perfecto, entonces ya conocerás los procesos de fabricación que debes tener en cuenta.  Si no, tendrás que ir definiendo y decidiendo en este apartado otra serie de puntos.

Parecen muchos puntos que hay que definir, pero todas son importantes tenerlas claras antes de comenzar a diseñar. ¡O diseñarás algo que luego no se peuda fabricar! Menudo embrollo sería ese.

Corte y conformado del material

Vamos a partir de que el material principal del chasis es acero. Si lo queries hacer de otro material, ¡avísanos! Prque, por ejemplo, hemos diseñado una cabina autoportante en fibra de vidrio, si te atreves, me llamas.

Ahora, podemos elegir para la fabricación entre:

• Perfiles comerciales de los que podremos encontrar tablas con los datos de resistencia que necesitemos
• Diseñar nosotros los perfiles en chapa plegada.  De éstos tendremos que obtener de otra manera sus características de resistencia ya que no están en prontuarios pero nos da mayor libertad a la hora de diseñar. Al partir de planchas de chapa plana, deberemos conocer los factores de plegado de las máquinas que les van a dar forma para tener en cuenta las reducciones necesarias a la hora de representar la pieza desplegada.

Por supuesto, se pueden combinar ambos tipos de perfiles!

Embalaje

Incluimos este apartado porque, no es lo mismo diseñar un chasis en el que no importe su volumen al transportarlo y pueda ir totalmente soldado (ojo, eso no implica que haya que diseñar partes atornilladas para poder reemplazar elementos durante la vida útil del mismo, por ejemplo, poleas) a otro en el que se busque transportarlo ocupando lo menos posible. En este último caso será necesario dividir el chasis en subconjuntos que irán atornillados entre sí.

Diseño y cálculo

La forma del chasis nos va a marcar el punto de inicio de nuestro diseño, ya podremos dibujar el boceto del mismo a grandes rasgos con las características que se han ido definiendo previamente.

Selección de componentes comerciales

Tenemos que definir ya el modelo de los elementos comerciales principales que se van a adaptar en el chasis. Imagínate que diseñas un larguero que aguanta perfectamente los esfuerzos a los que va a estar sometido, pero en el que no cabe la caja de cuñas que decides posteriormente… Parece algo ilógico, ¿verdad? Pues nosotros lo hemos visto, nos pidieron rediseñar un chasis en el que la caja de cuñas hacía interferencia con el pliegue del larguero que tenían y no se podía montar. 

Creo que ya te vas dando cuenta que diseñar un chasis de ascensor es bastante complejo porque tienes que tener en cuenta muchas variables de todod tipo: desde las geométricas hasta los componentes comerciales que deben incorporarse, ¡y todo al mismo tiempo!

Determinación puntos de suspensión

En función de si el chasis es hidráulico o eléctrico, con suspensión 2:1 o 1:1 y de otros factores, tendremos los puntos de suspensión en diferentes partes del chasis lo que implicará que las cargas se aplicarán de diferente manera por lo que el dimensionamiento y el diseño debe tenerlo en cuenta.

No podemos tener una «plantilla» de diseño que podamos usar para cualquier chasis, ¡ya nos gustaría! Lleva todo mucha personalización.

Cotas de la instalación que deben tenerse en cuenta

Por si te parecían pocas las variables que deben tenerse en cuenta, aquí viene más: el hueco donde se va a instalar el ascensor. El ascensor es una máquina muy especial, ¡se debe adaptar al entorno donde va instalarse! Y no al revés, como ocurren con otra maquinaria y bienes de equipo.

¿Hay cotas fijas en el replanteo general de la instalación que haya que respetar?  ¿Hay medidas máximas y mínimas a las que debamos adaptarnos?

Pueden existir y vendrán definidas por el replanteo general del ascensor, del conjunto de todos los componentes. A veces estas medidas no las conocemos de antemano sino que son resultado del montaje del nuevo diseño en un replanteo completo de hueco.
Puede que en el chasis, como elementos individual, consideremos unas cotas entre elementos que luego no sirvan para el montaje en conjunto y tengamos que modificar. 

Lo que podemos hacer es intentar tener presente el conjunto global de todos los elementos que interrelacionan entre sí en el hueco para evitar tener que realizar muchos cambios. Como ves, la visión holística que se necesita para el diseño de un ascensor es imprescindible para el ingeniero de ascensores

Con todo lo definido anteriormente, ya deberíamos tener un primer boceto completo de nuestro chasis. Ahora hay que darle forma más definida para ver si resiste los esfuerzos a los que se verá sometido en su vida úitl. 

¿Cómo hago una primera aproximación al perfil que van a tener los elementos? Mi consejo es hacer un predimensionamiento con cálculos manuales, ¡de toda la vida! Tenemos que conseguir un diseño inicial que nos dé garantías de éxito.

A partir de este punto, DISEÑO y CÁLCULO van a estar interactuando y vamos a tener que alternar una disciplina con otra continuamente. ¡No me digas que no es el sueño de un ingeniero!

Diseño inicial

La experiencia es calve: si se parte de un modelo existente para crear uno similar o para crear uno de carga superior lo tenemos más sencillo, pero, y si no tenemos ningún modelo en el que fijarnos, ¿cómo adivinamos qué dimensiones y espesores darle a los componentes en el primer diseño?

A continuación, indicamos los pasos para el predimensionamiento con un cálculo manual”.

• Simplificamos el chasis que llevamos en la cabeza en elementos individuales («vigas») y pensamos en los tipos de uniones entre ellas y con el exterior que tienen, empotramientos, apoyos deslizantes, fijos…
• Estimamos el caso de carga más desfavorable.  Puede que haya varios casos a calcular ya que los puntos de apoyo y las cargas varían.
• Se empiezan a calcular de forma individual los diagramas de esfuerzos las vigas que soportan las cargas exteriores y se van transmitiendo los esfuerzos en los apoyos a las siguientes vigas del sistema.
• Con los momentos flectores más desfavorables obtenidos en cada viga, podremos dimensionar los perfiles mínimos necesarios que soportarán esos esfuerzos. 
• Coeficiente de seguridad. Se decidirá cuál es que se desea aplicar, 1.2, 1.5, 2…. Y se aplicará de forma que el límite elástico del material quedará dividido por este CS obteniendo el límite admisible del material.  Los esfuerzos se compararán con esta tensión admisible.

Los resultados de estos cálculos puede que no sean los definitivos, ya hemos dicho que son una simplificación pero nos ayudan a tener algo de lo que partir y no tener que inventar algo sin referencias.

Ya estamos en disposición de crear el diseño inicial que será del que partamos para calcularlo detalladamente por MEF (método de los elementos finitos), recuerda que hasta ahora no teníamos más que bocetos.

Casos de carga

Generalmente calculamos y comprobamos el diseño inicial creado para 4 casos de carga que se indican en la norma UNE-EN 81:20:

• Funcionamiento normal
• Actuación de caja de cuñas.  Se subdivide en 2 casos: Con carga agrupada frontalmente y lateralmente.
• Carga y descarga
• Enclavamiento.  En caso de que el chasis requiera de algún sistema de enclavamiento, este caso también deberá ser incluido en los casos de carga del chasis.

Se aplicarán diferentes coeficientes de impacto en cada caso de estudio que simularán las cargas reales a las que estaría sometido el chasis.

Fase iterativa de diseño y cálculo

Comprobaremos todos los casos de carga descritos en apartado anterior para el diseño inicial.        

Al analizar los resultados posiblemente, detectaremos zonas donde se acumulen tensiones y será necesario reforzar, rediseñar los perfiles, las uniones, etc, hasta conseguir que el conjunto trabaje de forma adecuada en conjunto para todos los casos de carga analizados.

Una vez hayamos obtenido los perfiles y espesores definitivos para nuestro chasis habrá que modificar el diseño inicial que hicimos de forma que adopte los cambios necesarios según los cálculos MEF realizados: nosotros, ya sabes, calculamos con ANSYS, ¡lo mejor de lo mejor!

Diseño definitivo

Una vez que tenemos el resultado deseado es momento de ordenar el diseño para poder realizar la ingeniería de detalle y la industrialización del modelo. Para ello, crearemos la estructura 3D de forma anidada en SolidWorks, nuestro software CAD favorito, agrupando los componentes según el siguiente criterio:

• Piezas individuales
• Subconjuntos soldados
• Subconjuntos montados: incluirán todos los componentes que irán montados con la correspondiente tornillería. 
• Conjunto total del chasis: el objetivo es tener un modelo 3D que sea exactamente igual al prototipo real que se fabricará.

Un detalle importante, aunque sea una labor costosa, recomendamos montar todos los tornillos que se necesiten en todos los conjuntos y subconjuntos. De este modo, podremos detectar si hay problemas de espacio para atornillar, si existen interferencias con algún pliegue, entre elementos, etc. ¡El montador no te lo agradecerá pero si no lo haces puede que se acuerde de parte de tu familia, y no para deseándoles unos buenos días!

Planos y documentación adicional

Una vez que ya tenemos el diseño final de nuestro chasis, perfectamente estructurado y con todos los elementos comerciales y tornillería colocada pasamos a la fase final, hay que plasmar toda esa información en una documentación clara que ayude a todas las personas que ahora van a tener relación con este diseño: producción, compras, fabricación, expedeción e inclsuo, marketing y ventas.

Parece que no, pero esta fase tambien es muy importante porque es la documentación donde reflejamos nuestra criatura.

Planos de fabricación

Tienen que ser claros para que puedan ser interpretados por el personal de la empresa que lo vaya a fabricar. Unas pequeñas recomendaciones:

• Añadir una vista 3D siempre va a ayudar a todo el mundo a reconocer fácilmente de qué pieza se trata. Y ya que nos ponemos, un eDrawings, ¿no?
• En caso de piezas de chapa plegada, añadir una vista de la pieza desarrollada, tal y como saldría de la punzonadora o láser con medidas generales.  Es otra ayuda a identificar piezas ya que algunas pueden ser muy diferentes antes y después de plegarlas.

En función del proceso de gestión de la producción que tenga cada empresa pueden realizarse planos de diferentes tipos:

• Fijos:  Corresponden a piezas de dimensiones fijas.

• Paramétricos: Son planos de piezas que tienen alguna medida que varía en función de parámetros. Al modificar los parámetros del chasis, los planos se actualizarían automáticamente.

• Generales: Son planos de piezas que tienen alguna medida que varía en función de parámetros. Pero, en lugar de actualizarse automáticamente al modificar el modelo, se escribe la fórmula / ecuación que controla esa dimensión.
  
  Debe completarse con otra documentación de trabajo, tabla excel, listados … donde se especifique para cada pieza que se tenga que fabricar, los valores de esas medidas.

Dependerá del tipo de proceso de fabricación que se desee tener en fábrica. Será algo que se deba acordar junto con el departamento Industrial ya que será algo que afectará al proceso de producción.

• ¿Se desea tener una colección completa de planos para cada pedido?  entonces, planos fijos y paramétricos.
• ¿No se desea tener que manejar tantos planos viajando por la fábrica porque el volumen de pedidos fabricados es grande? Entonces, ve a planos generales.

Pero nuestra gran idea para ti es que te diseñes un Configurador Técnico para no perder tiempo en cada pedido y para evitar errores humanos inútiles que suelen costar mucho dinero. También somos expertos en esta faceta, así que si quieres que te ayudemos, ¡tu silba e iremos!

Ficha técnica

Es una documentación que van a manejar los departamentos técnicos y los técnico-comerciales.

El objetivo de la ficha técnica es ayudar a la persona que esté decidiendo el chasis que se debe emplear en una instalación concreta. Insisto, si tienes un configurador técnico, este hará el trabajo por ti.

Para ello, se le debe proporcionar la máxima información del alcance y las propiedades que tiene ese modelo de chasis.

En resumen, sería reflejar la tabla de necesidades y características que se empleó de partida del chasis. Debería contener las cotas principales del conjunto y de los elementos que puedan ocasionar interferencias con otros componentes de hueco.

Manual de montaje

Es la documentación que emplearán los instaladores por lo que nuestra recomendación es hacerlo lo más visual posible, emplear explosionados y el menor texto descriptivo posible.

• Visual 3D
• Ordenado. Siguiendo el orden de montaje empleando los subconjuntos creados.
• Detallado. Emplear explosionados y vistas de detalle si se considera necesario e indicar en cada paso la tornillería empleada.

Conclusión

Los principales problemas a los que nos enfrentamos los ingenieros a la hora de diseñar un chasis son:

• Recopilar toda la información necesaria para poder conseguir que durante el proceso de diseño haya que realizar el menor número de iteraciones de cálculo y de diseño y
• Ser capaz de satisfacer a todos las personas o departamentos que van a tener relación con el producto: desde el departamento industrial que es quien lo va a fabricar (hay que intentar que sea lo más sencillo posible para evitar errores en mecanizado, plegado, soldadura, montaje…), pasando por el comercial (que se fijará en el coste final), hasta los clientes externos que buscarán un producto flexible, que pueda adaptar a las diferentes instalaciones que puedan tener.

Espero que te haya quedado claro que para diseñar este componente del ascensor hace falta tener en cuenta un millón de aspectos, y unas cuantas más que seguro que surgen en el proceso, pero la satisfacción que se obtiene al conseguir superar todos los obstáculos que aparecen por el camino y lograr el objetivo marcado, compensará los momentos difíciles durante mucho tiempo. Ver a tu chasis recién fabricado y montado es una satisfacción enorme.

Y si tienes alguna duda, puede contactarnos y te atenderemos encantados.

---

Este artículo ha sido redactado por Elena Hernando, Ingenieria Técnica experta en ascensores y diseño de componentes, especialmente, chasis de ascensor, miembro desde 2020 del Amazing SAMAT Team.

Preguntas Frecuentes

¿Qué hace un técnico de ascensores?

Desde el punto de vista de la ingeniería del ascensor, un técnico de ascensores es la persona que desarrolla un proyecto para diseñar un ascensor seguro. Esta persona debe tener conocimientos propios del sector, como por ejemplo, saber la normativa en vigor que rige los ascensores y tiene que tener altos conocimientos de ingeniería para poder desarrollar los componentes que conforman un ascensor, como por ejemplo, el chasis de cabina. Lleva varios años lograr que un ingeniero se convierta en un experto en el diseño de ascensores, siendo una labor muy grata puesto que se utilizan diversas materias de la ingeniería mecánica, eléctrica y electrónica.