Proyecto de Tesis_Calculo I
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
“PROPUESTA DE MEJORA PARA DETERMINAR LA
EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN POR
FAJAS EN V DE UNA MÁQUINA INDUSTRIAL DE
COSTURA”
MARTINEZ REÁTEGUI, FRANCO
RÍOS PEÑA, LUDWIG HOMERO
GARCÍA CABALLERO, CARLOS JOEL
PORTOCARRERO SERVÁN, RAHUELET
Callao, Noviembre, 2014
PERÚ
ÍNDICE
Introducción
I. Planteamiento del problema 2
I.1. Determinación del problema
I.2. Formulación del Problema
I.3. Objetivos
I.3.1. Objetivo General
I.3.2. Objetivos Específicos
I.4. Justificación económica
II. Marco Teórico
II.1. Antecedentes
II.2. Marco conceptual
II.3. Término básicos
III. Variables e Hipótesis
III.1. Variables de la Investigación
III.2. Operacionalización de variables
III.3. Hipótesis general
IV. Metodología
IV.1. Tipo de Investigación 11
IV.2. Diseño de investigación 12
IV.3. Población y Muestra 13
IV.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos 14
IV.5. Plan de análisis estadísticos 15
V. Cronograma de actividades
VI. Presupuesto
VII. Referencias
VII.1. Matriz de consistencia 18
VII.2. Esquema tentativo de tesis 19
Introducción
La industria textil ve su auge durante la etapa de la revolución industrial, en
la cual se produce el invento que la revolucionaría, la máquina de coser.
En 1755 el mecánico Elías Howe presenta la primera patente para un
mecanismo de costura sencillo pero eficiente, el cual eliminaría las
imperfecciones de longitud de costura. Hasta la actualidad las máquinas de
coser han avanzado lo suficiente como para utilizar elementos eléctricos en
reemplazo de mecanismos de transmisión directa para el giro de la polea que
a su vez transmite movimiento a la aguja con hilo, por lo cual la correcta
selección de fajas de trasmisión como de motores que aportan energía al
sistema permite tener una mejor eficiencia lo cual supone un menor costo de
producto y mayor producción.
Durante la presente tesis haremos el cálculo y la selección de la faja de
transmisión en “V” de una máquina de coser industrial, parte de una flota
dedicada a la producción de piezas textiles; así mismo, veremos la manera
más eficiente de transmitir movimiento al sistema con fajas comerciales y un
cambio de motor de acuerdo a la potencia requerida.
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. Determinación del problema
La importación de máquinas industriales de costura suelen ser incompletas,
puesto que llegan sin motor y sin faja de transmisión, por lo cual el
importador hace la selección de los elementos antes mencionados. En la
mayoría de los casos las fajas seleccionadas no están normalizadas y los
motores son sobredimensionados. Esto se traduce en gasto por diseño por
pedido de faja especial y por gasto operacional debido al consumo del motor
sobredimensionado.
1.2. Formulación del Problema
1.2.1. Problema General
- El problema general radica en la mala selección del sistema de
transmisión para una maquina industrial de costura.
1.2.2. Problemas específicos
- Selección de una faja no comercial ni estandarizada.
- Sobredimensionamiento del motor eléctrico.
1.3. Objetivos de la investigación
1.3.1. Objetivo General
- El objetivo general del presente proyecto de tesis consiste en mejorar la
eficiencia de una máquina industrial de costura en base al cálculo y
correcta selección del sistema de transmisión. Como parte del sistema se
encuentra la faja de transmisión y el motor eléctrico.
1.3.2. Objetivos específicos
- Cálculo y selección de faja de transmisión en “V” para una máquina
industrial de costura.
- Selección adecuada de motor eléctrico para máquina industrial de costura.
1.4. Justificación Económica
- Al mejorar la eficiencia de la máquina se reducirán costos de inversión y
mejorará la producción de la flota.
- El costo por consumo y manufactura de faja no comercial, esto sin incluir
el tiempo de espera y para la máquina.
- El gasto operacional por consumo de motor eléctrico sobredimensionado.
II.2. Marco Conceptual
II.2.1. FAJAS
II.2.1.1. Generalidades
Las correas son elementos de transmisión de potencia, de constitución
flexible, que se acoplan sobre poleas que son solidarias a ejes con el objeto
de transmitir pares de giro. Su naturaleza flexible va a permitir que su
fabricación se realice con una cierta incertidumbre mecánica que puede ser
asumida, posteriormente, en su montaje.
La correa de transmisión trabaja por rozamiento con la polea sobre la que va
montada. Este hecho, junto a su naturaleza flexible, confiere a las correas
una función de "fusibles" dentro de las transmisiones, dado que se
comportan como amortiguador, reduciendo el efecto de las vibraciones que
puedan transmitirse entre los ejes de la transmisión.
En general, el empleo de correas en las transmisiones resulta una opción
más barata, pero como contrapartida, este tipo de elementos no pueden
garantizar una relación de transmisión siempre constante entre ejes, dado
que pueden originarse pequeños deslizamiento de la correa sobre la
canaladura de la polea, debido, por ejemplo, a que el tensado inicial no se ha
hecho correctamente, o en todo caso, producido por el desgaste con las
horas de funcionamiento.
II.2.1.2. Clasificación
Correas Planas
Actualmente ya en desuso y sustituidas gradualmente por las trapezoidales,
se utilizaban sobre todo en aquellas transmisiones donde no se requerían
grandes prestaciones, esto es, que no se transmiten grandes pares ni la
velocidad lineal que alcanza la correa es elevada (< 5 m/s). También pueden
emplearse cuando la distancia entre ejes de poleas es elevada. Las correas
planas se dividen a su vez en correas "sin fin", también llamadas correas
continuas, y correas abiertas, que se denominan así porque se suministran
abiertas para su montaje y posteriormente son cerrados mediante grapas o
pegamento industrial.
Correas Trapezoidales o de sección en “V”
Las correas en "V" permiten transmitir pares de fuerzas más elevados, y una
velocidad lineal de la correa más alta, que puede alcanzar sin problemas
hasta los 30 m/s.
Correas Dentadas o Sincrónicas (Timing Belts)
Tienen aplicación sobre todo en aquellas transmisiones compactas y que se
requieren trasmitir alta potencia. En este caso se deben emplear poleas de
pequeño diámetro, y las correas dentadas ofrecen mayor flexibilidad y mejor
adaptabilidad al dentado de la polea. Por otro lado, también permiten ofrecer
una relación de transmisión constante entre los ejes que se acoplan.
Ahora, para el presente proyecto de tesis desarrollaremos el marco teórico
en torno de las Fajas de Transmisión de sección en “V”
II.2.1.3. Correas Trapezoidales o de Sección en “V”
Las correas trapezoidales o correas en "V" trabajan a partir del contacto que
se establece entre los flancos laterales de la correa y las paredes del canal
de la polea.
Según las normas ISO las correas trapezoidales se dividen en dos grandes
grupos: las correas de secciones con los perfiles clásicos Z, A, B, C, D y E, y
las correas estrechas de secciones SPZ, SPA, SPB Y SPC. En la figura
adjunta se representa esquemáticamente una sección tipo de correa
trapezoidal o correa en "V":
Figura N° 2.2.1.3.1. Esquema de una correa trapezoidal
Dónde:
a, es el ancho de la cara superior de la correa
h, es la altura o espesor de la correa
ap, es el denominado ancho primitivo de la correa.
En la siguiente tabla se muestran los valores de los parámetros anteriores
según el perfil de correa:
Sección a (mm) h (mm) ap (mm)
Z 10 6 8.5
A 13 8 11
B 17 11 14
C 22 14 19
D 32 19 27
E 38 25 32
Tabla 2.2.1.3.1: perfiles normalizados correa trapezoidales
Las correas trapezoidales o en “V” trabajan en condiciones óptimas cuando
lo hacen a velocidades lineales dentro del rango de los 20-22 m/s. Las
correas en “V” no deben trabajar a velocidades superiores de los 30 m/s,
dado que la elevada fuerza centrífuga que se genera terminaría sacando la
correa de la ranura de la polea. Por otro lado, si funcionasen a velocidades
más bajas también necesitarían un proceso de equilibrado estático para
conseguir un trabajo más óptimo.
II.2.1.4. Constitución de la Faja
La siguiente figura muestra una sección tipo de una correa trapezoidal, así
como de las partes principales que la compone:
Figura N° 2.2.1.4.1. Elementos de una correa trapezoidal
Donde:
1, es el núcleo;
2, tensores o fibras resistentes;
3, recubrimiento.
1. Núcleo
La parte del núcleo está constituido de una mezcla de cauchos especiales
que le proporcionan a la correa una alta resistencia mecánica y una gran
capacidad de flexión para un rango de temperatura de trabajo amplio, de
entre -10 ºC y 90 ºC.
No obstante, esta parte de la correa es sensible al contacto con aceites,
grasas, u otros agentes químicos, por lo que se recomienda evitar un
prolongado contacto de la correa con estas sustancias.
2. Tensores o fibras resistentes
Para mejorar la resistencia a tracción de las correas y evitar que se alarguen
o deformen se incluyen estos elementos tensores, generalmente hechos de
fibras sintéticas (poliéster o fibra de vidrio) que ofrecen una gran resistencia a
la fatiga. Debido a que las correas se ven sometidas a continuos y repetitivos
ciclos de carga y descarga, es el agotamiento por fatiga lo que condiciona
realmente la vida útil de las correas, de ahí la importancia de estos
elementos.
3. Recubrimiento
Es una envolvente textil que recubre y protege a los demás elementos de la
correa. Consiste en una tela mixta de algodón-poliéster que ofrece una
excelente resistencia a la abrasión, además de proporcionar un elevado
coeficiente de rozamiento o fricción con la superficie de la polea.
Un elevado coeficiente de rozamiento entre correa y polea es importante
porque así se evita cualquier riesgo de deslizamiento, lográndose una mejor
y óptima transmisión de potencia.
Además, el material que constituye el recubrimiento debe ofrecer una buena
resistencia a los agentes de la intemperie que puedan dañar la correa, como
aceites, polvo, a las altas temperaturas y radiación.
Otro factor importante es la electricidad estática que se genera durante el
funcionamiento de una correa. La acumulación de electricidad estática se
produce, fundamentalmente, por el continuo rozamiento de las partes de la
correa con las partículas del aire. La tela del recubrimiento debe ofrecer una
buena conductividad eléctrica que ayude a evacuar esta acumulación de
electricidad estática, porque de lo contrario podría dar lugar a la generación
de chispas con el consiguiente peligro de incendio.
II.2.1.5. Longitud Primitiva
La longitud o desarrollo lineal de una correa se mide montada sobre poleas y
convenientemente tensada. En esta situación el desarrollo de una correa
variará en función de la línea de referencia de la sección que se tome para
realizar la medición. Así, se denomina longitud primitiva de la correa (Lp) a la
que resulta de realizar la medición de su longitud a la altura del ancho
primitivo (ap) de la sección.
Para efectuar correctamente la medición de la longitud primitiva de la correa,
ésta debe estar, como ya se ha dicho, convenientemente tensada. Para
poder aplicar el tensado a la correa, las dos poleas sobre las que se monte la
correa deben ser una fija y la otra desplazable con el objeto de poder
aplicarle a esta última la carga “Q” de tensado, Figura N°2.2.5.1.
La carga “Q” de tensado a aplicar será función de la sección de la correa que
se trate, su desarrollo primitivo y del diámetro de poleas, según se indica en
la siguiente tabla N°2.2.5.1
Figura N° 2.2.5.1. Esquema de montaje de una transmisión por correa
Sección Diámetro
primitivo (mm)
Desarrollos
primitivos (mm)
Carga Q (N)
Z 57,6 180 110
A 95,5 300 200
B 127,3 400 300
C 228,3 700 750
D 318,3 1000 1400
E 573,0 1800 1800
Tabla N°2.2.1.5.1. Cargas “Q” de tensado
La distancia entre ejes de poleas (E) se mide con la correa ya montada y
tensada. Para que la medición sea correcta se debe hacer girar las poleas
cuatro o cinco vueltas a fin que la correa encaje bien en la ranura.
La longitud primitiva (Lp) de la correa para este caso concreto, donde los
diámetros de las poleas son iguales y el ángulo de contacto igual a 180º,
resulta inmediata aplicando la siguiente expresión:
Lp=2.C+π .d
Dónde:
E es la distancia entre ejes de las poleas, en mm.
d es el diámetro primitivo de las poleas, en mm.
Lp es la longitud primitiva de la correa, en mm.
Desarrollo externo = Longitud primitiva nominal (Lp) + C1;
Desarrollo interno = Longitud primitiva nominal (Lp) - C2;
Los coeficientes C1 y C2 que hay que sumar o restar a la longitud primitiva
para obtener los desarrollos exteriores o interiores de la correa, se adjuntan
en la siguiente tabla en función del tipo de sección:
Sección C1 (mm) C2 (mm)
Z 13 25
A 17 33
B 26 43
C 32 56
D 43 76
E 52 105
Tabla N°2.2.1.5.2 Coeficientes C1 y C2
II.2.1.6. Identificación de Fajas de sección “V”
Las correas trapezoidales se identifican por sus dimensiones físicas. Así,
para proceder a su identificación se coloca en primer lugar una letra que
indica la sección de la correa, seguido por un número que expresa la longitud
nominal de la correa.
Figura N°2.2.1.6.1. Identificación de correa trapezoidal
II.2.2. POLEAS
II.2.2.1. Generalidades
La colocación de la correa de manera correcta en el canal o ranura de la
polea influye considerablemente en el rendimiento de la transmisión y en la
vida útil de la correa.
Para conseguir una buena colocación de la correa en la ranura de las poleas
es condición imprescindible un perfecto alineamiento entre poleas. Para ello
es necesario que los ejes del motor sean paralelos y que la correa trabaje
perpendicularmente a dichos ejes.
Es síntoma de que existe un mal alineamiento entre poleas cuando uno de
los flancos de la correa está más desgastado que el otro, o que un lado del
canal aparece más pulido que el otro. Un ruido constante de la transmisión o
un calentamiento excesivo de los rodamientos son también síntomas de un
mal alineamiento entra poleas.
Por otro lado, como ya se ha indicado, la correa en "V" trabaja por
rozamiento entre los flancos laterales de la correa y las paredes del canal de
la polea. Es por ello muy importante que los flancos de la polea se presenten
perfectamente lisos y limpios. La presencia de suciedad o de partículas de
polvo en la polea es muy perjudicial al convertirse en abrasivos que terminan
desgastando a la superficie de la correa.
Figura N°2.2.2.1.1. Colocación de la correa en el canal de la polea
La posición correcta de la correa será aquella en la que su base mayor
quede por encima de la polea, lo cual va a asegurar un contacto continuo
entre la ranura y los flancos de la correa. En ningún caso la correa debe
tocar el fondo del canal de la polea, dado que de producirse, la correa
empezaría a patinar, y esto provocaría su desgaste inmediato.
II.2.2.2. Diámetro mínimo
La elección del diámetro correcto de las poleas es sumamente importante,
dado que un diámetro excesivamente pequeño para una sección de correa
determinada significaría una flexión excesiva de ésta, lo que terminaría
reduciendo su vida útil. Como norma general, al aumentar el diámetro de la
polea aumentará la vida útil de la correa.
II.2.2.3. Ajuste de la distancia entre poleas
Toda transmisión por correas flexibles debe ofrecer la posibilidad de ajustar
la distancia entre centros de poleas, es decir, de poder variar la distancia que
separa los ejes de giro de las distintas poleas que permita realizar las
siguientes operaciones:
Hacer posible el montaje inicial de la correa sin forzarla.
- Una vez montada, poder realizar la operación de tensado inicial.
- Durante la vida útil de la correa, para poder compensar el
asentamiento de la correa o su alargamiento que se produce por el
uso.
|
Figura N°2.2.2.2.1. Ajuste de la distancia entre poleas
En la siguiente tabla se indica la variación mínima de la distancia entre ejes
de poleas necesario para la instalación y tensado de las correas:
Tabla 2.4 Desplazamientos mínimos para el montaje
2.2.6 VENTAJAS DE LAS FAJAS EN “V”
Posibilidad de unir el árbol conductor al conducido a distancias relativamente grandes.
Funcionamiento suave, sin choques y silencioso. Facilidad de ser empleada como un fusible mecánico, debido a que
presenta una carga límite de transmisión, valor que de ser superado produce el patinaje (resbalamiento) entre la correa y la polea.
Costo inicial de adquisición o producción relativamente bajo.
2.2.7 DESVENTAJAS DE LAS FAJAS EN “V”
Grandes dimensiones exteriores. Inconstancia de la relación de transmisión cinemática debido al
deslizamiento elástico.
Grandes cargas sobre los árboles y apoyos, y por consiguiente considerables pérdidas de potencia por fricción.
Vida útil de la correa relativamente baja.2.2.8 MOTORES ELECTRICOS TIPO JAULA DE ARDILLA
Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un
rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula
Figura 2.12 esquema del rotor de jaula de ardilla
La base del rotor se construye con láminas de hierro apiladas. En la figura 2.12 se muestra solamente tres capas de apilado pero se pueden utilizar muchas más.
Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. En efecto, el rotor se lleva alrededor el campo magnético, pero en un índice levemente más lento de la rotación. La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y aumenta con la carga.
2.2.8.1 Tipos de motores de jaula de ardilla
Para distinguir entre diversos tipos disponibles, la National Eléctrical Manufacturers Association (NEMA) ha desarrollado un sistema de identificación con letras en la cual cada tipo de motor comercial de inducción de jaula de ardilla se fabrica de acuerdo con determinada norma de diseño y se coloca en determinada clase, identificada con una letra. Las propiedades de la construcción eléctrica y mecánica el rotor, en las cinco clases NEMA de motores de inducción de jaula de ardilla, se resume en la siguiente tabla:
Clase
NEMA
Par de arranque
(# de veces el
nominal)
Corriente de
Arranque
Regulación de
Velocidad
(%)
Nombre de clase
Del motor
A
B
C
D
F
1.5-1.75
1.4-1.6
2-2.5
2.5-3.0
1.25
5-7
4.5-5
3.5-5
3-8
2-4
2-4
3.5
4-5
5-8 , 8-13
mayor de 5
Normal
De propósito general
De doble jaula alto par
De alto par alta resistencia
De doble jaula, bajo par y baja corriente de arranque.
Tabla 2.5 características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA.
II.3. Términos básicos
IV. METODOLOGÍA
IV.1. Tipo de Investigación
El tipo de nuestra investigación según el objeto de estudio es aplicada ya
que busca el conocer para hacer, para actuar, para construir, para modificar.
Utilizando referentes teóricos ya existentes para diseñar un sistema de
transmisión de potencia por fajas en “V”.
IV.2. Diseño de la investigación
Medimos la corriente que consume el motor con embrague al ponerle la
carga.
De la experiencia obtuvimos los siguientes datos
I=3.3 AV=215V cos∅=0.62
Pe=VxIxcos∅=(215V ) (3.3 A ) (0.62 )=439.9W=0.59HP
0.59HP esloque consumeelmotor
Con la eficiencia del motor al eje llegara una potencia de:
P=0.8x 0.59HP=0.47HP
Calculo de la transmisión por faja:
HPd=Pxfs=0.613
1. Potencia de diseño:
HPd=Pxfs=0.613 x1.3=0.796HP
Con RPM mayor = 35000 rpm
Concluimos que usaremos correas del tipo Z
2. Relación de transmisión:
mg=55003515
→mg=1.505
3. Selección de diámetro de las poleas estándar:
Según la tabla del fabricante (Tabla Nro. 2 Sección Z)
Buscamos el diámetro primitivo de la polea menor de acuerdo a la
Potencia que va a transmitir.
para0.66HPa3450 RPM→d=50mm
d=50x 1.565=78.25≈79mm
mg=7950
=1.58
Diámetros estandarizados para sección “Z”.
d=60mmD=90mmmg=1.5
Selección de la longitud:
L=2C+ π2
(D+d )+ (D−d )2C
………… ..(¿)
C≥D+d2
+d→C≥137.5
Por la disposición de la instalación aproximada
C=430mm
Reemplazando en (*):
L=2 (430 )+ π2
(79+50 )+(79−50)2(430)
L=1096mm
Según la Tabla 6 del fabricante
Usamos correa Z de:
1092mmo42 pulg
Factores de corrección
K L→segunTabla4→K L=0.95
Kθ→segunTabla5→Kθ=0.99
Hallando el ángulo de contacto:
α=180 °−57(D−d )C
=176 °
Potencia por faja:
De Tabla nro. 2 del fabricante
A 5500 RPM
HPfaja
=1.35HPadicional=0.39
HPfaja
=( HPfaja Tabla+HPadicional)∗K L∗K θ
HPfaja
=(1.35+0.39 )∗0.95∗0.99=1.67HP
Numero de Fajas:
HPd=0.8M P
IV.4. Técnicas e Instrumentos de recolección de datos
Para la realización de la toma de datos se han realizado los procedimientos
de acuerdo al manual de cada instrumento, en el anexo “INSTRUMENTOS
DE MEDICIÓN” encontraremos el manual de servicio de cada uno de ellos.
IV.4.1.Tacómetro EXTECH
Es el instrumento necesario para la medición de RPM en las poleas, motriz y
conducida. Para la medición seguiremos los siguientes pasos:
- Deslizar el selector de función a la posición “RPM”
- Instalar en el adaptador a la opción de RPM esperado
- Oprima el botón de medición apretando ligeramente el adaptador del
RPM contra la apertura central de una flecha giratoria en alineación
correcta. Suelte el botón de medición cuando se tenga una lectura
estable en la pantalla (entre 1 y 2 segundos)
FIGURA N°4.4.1.1 Tacómetro en funcionamiento
Fuente: Manual de Servicio EXTECH 461891, Ficha técnica
IV.4.2.Calibrador MITUTOYO
Instrumento utilizado para la medición de las poleas, motriz y conducida del
sistema, se utilizaron medidas en milímetros y pulgadas. Las
especificaciones del instrumento, sea precisión o disponibilidad de medidas
en encuentran en el anexo “INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN”. Se siguieron
los siguientes pasos para la toma de medidas:
- Las mordazas para medidas externas se colocan de manera
tangencial a la superficie circular de la polea de modo que cubran la
parte más ancha y se obtenga de este modo una medida más precisa.
- Después de fijas las mordazas de hace un pequeño ajuste en el
tornillo de fijación para que ningún movimiento genere un variación en
la medida.
- Se toman varias medidas y se trabaja con el promedio.
IV.4.3.Multímetro MASTECH
Instrumento que nos permite medir el voltaje, corriente y posteriormente el
consumo del motor eléctrico. Las especificaciones del instrumento, sea
precisión o disponibilidad de medidas en encuentran en el anexo
“INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN”. Se siguieron los siguientes pasos para la
toma de medidas:
- Para medir el voltaje del motor se usa una conexión en paralelo.
- Para la medida de corriente del motor se usa conexión en serie.
FIGURA N°4.4.3.1 Multímetro MASTECH MS8268
IV.5.
V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Las actividades han sido realizadas de manera semanal y contando con la
presencia de los integrantes del grupo, así como de un técnico capacitado en
mantenimiento de máquinas industriales de costura.
Semana 1:
Visita al área de trabajo,
2. CATÁLOGOS
Tabla de factor de corrección para la potencia de diseño
Para la selección de las poleas Estándar