diseño de elementos de máquinas - robert l. mott(10)

DISEO DE ELEMENTOS DE MQUINASCuarta edicin

Robert L. Mott, P. E.University of Dayton

TRADUCCIONVirgilio Gonzlez y Pozo

REVISIN TCNICASergio Saldaa Snchez E S tM E Culhuacn Instituto Politcnico Nacional

ngel Hernndez Fernndez ESI ME Culfruacn Instituto Politcnico Nacional

Jaime Villanueva Snchez Instituto Tecnolgico de Chihuahua

i- jlon S

Mxico Argentina Hraul * Colombia Cosu Rir-* Chflc EcuadorEspaa Guatemala Fanami * Per * !\ierto R ico t U rapas v * Vtneineia

_____________ / Datos de catalogacin bibliogrfica

M O T T R O B E R T L.

Diseo de elementos de mquinas

PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2006

ISBN: 970-26-0812-0 rea: Ingeniera

Formato: 20 x 25.5 cm Pginas: 944

Authorized translaon from the Engiish language cdttion, entied Machine eletneis by Roben L. Mot published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2004, AU rights reserved.ISBN 013061SS53

Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingjs, Machine elemenis por Roben L- Mott, publicada por Pearson Educalion, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC. Copyright 2004, Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor. Pablo Miguel Guerrero Rosas

e-mail: pablo.guenrero@pearsoned,com Editor de desarrollo; Bernardino M. Gutirrez Herande2 Supervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo

Edicin en inglsEditor In Chief: Stephen HelbaExecutive Editora Debbie YamellEditorial A ssistant: Jonathan TenthoEfProducton Editor: Louise N. SeiteProducton Supervisin; Carlisle Publishers ServicesDesign Coordinator. Diane EcnsbergerCover Designer: Jason MocreProducton Manager. Brian FoxMarketing Manager: Jimmy Siephens

CUARTA EDICIN, 2006

D.R. 2006 por Pearson Educacin de Mxico, S A. de C.V,Aacomulco 500-5o, piso Industrial Atoto53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico E-mail: [email protected]

Cmara NacionaJ de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nihl 1031

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Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni pane de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqufmco, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.

; ISBN 970-26-0812-0

Impreso en Mxico. Prinied in Mxico.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 09 08 07 06

Prefacio

El objetivo de este libro es presentar los conceptos, procedimientos, datos y tcnicas de anlisis de decisiones necesarios para disear los elementos de mquinas que se encuentran con frecuencia en los dispositivos y sistemas mecnicos. Los alumnos que terminen un curso y usen este libro deben poder realizar diseos originales de elementos de mquinas e integrarlos en un sistema ms compleja.

Para este proceso se requiere tener en cuenta los requisitos de funcionamiento de un componente individual, y las relaciones entre los diversos componentes, cuando trabajan juntos formando un sistema. Por ejemplo, se debe disear un engrane para transmitir determinada potencia a determinada velocidad. El diseo debe especificar la cantidad de dientes, su paso, su forma, el ancho de su cara, su dimetro de paso, el material y el mtodo de tratamiento trmico. Pero tambin ese diseo de engrane afecta y se ve afectado por el engrane vecino, el eje que sostiene al engrane y el entorno en que debe funcionar. Adems, el eje debe estar soportado por cojinetes, los cuales, a su vez, deben estar encerrados en una caja. Por tanto, el diseador debe tener en mente todo el sistema al disear cada uno de los elementos; enfoque con el que se abordan los los problemas de diseo en este texto.

El libro est dirigido a quienes se interesen en el diseo mecnico prctico. Se subraya el uso de materiales y procesos fcilmente asequibles, y mtodos de diseo adecuados para obtener un diseo seguro y eficiente. Asumimos que la persona que leer este libro ser el diseador; esto es, el responsable de determinar la configuracin de una mquina, o parle de ella. Siempre que sea prctico se especificarn todas las ecuaciones, datos y procedimientos necesarios para elaborar el diseo.

Esperamos que los alumnos que consulten este libro tengan conocimientos bsicos sobre esttica, resistencia de materiales, lgebra y trigonometra de nivel bachillerato. Seria til, aunque no es un requisito, tener conocimientos de cinemtica, mecanismos industriales, dinmica, ciencia de materiales y procesos de manufactura.

Entre las cualidades que sobresalen en este libro estn las siguientes:

1. Est pensado para que pueda consultarse en un prim er curso de diseo de mquinas, a nivel licenciatura.

2. La amplia lista de temas permite que el instructor encuentre opciones para disear su curso; el formato es adecuado para una secuencia de dos cursos, y como referencia para cursos de proyectos de diseo mecnico.

3. Que los alumnos aumenten sus capacidades al desarrollar temas que no se cubren en las aulas, con la ventaja de que tas explicaciones de los principios son directas, y se incluyen muchos problemas modelo.

4. La presentacin prctica del material conduce a decisiones de diseo viables y que pueden utilizarse en la prctica.

5. El libro propicia el manejo de hojas de clculo Cy lo demuestra con su empleo) en casos donde se presentan problemas cuya solucin es larga y laboriosa. Con el uso de las hojas de clculo, el diseador puede tomar decisiones y modificar datos en varios puntos del problema, mientras la computadora realiza todos los clculos. Vea el captulo 6 , acerca de las columnas; el 9, sobre engranes rectos; el 12, referente a los ejes; el 13, sobre ajustes encogidos, y el 19, referente al diseo de resortes. Tambin se pueden emplear otros programas de clculo por computadora.

iii

V Prefacio

6 . Referencias a oros libros, normas y artculos tcnicos, los cuales ayudan (al profesor) a presentar mtodos opcionales, o en la profundidad del tratamiento de los temas,

7. Listas de sitios en Iniemet, relacionados con los temas de este libro, al final de la m ayor parte de los captulos. Muy ii les para conseguir informacin o datos adicionales acerca de los producios comerciales.

8. Adems del nfasis en el diseo original de elementos de mquinas, gran parte de la descripcin se refiere a elementos de mquinas que se consiguen comercialmenle, ya que en muchos proyectos de diseo se requiere una combinacin ptima de partes nuevas, de diseo exclusivo, o de componentes comprados.

9. En algunos temas, se enfoca la atencin en la ayuda al diseador para que seleccione componentes disponibles en el comercio, como los rodamientos, acoplamientos flexibles, lomillos de bolas, molotes elctricos, transmisiones por bandas, dispositivos de cadena, embragues y frenos.

10. En los clculos, y para resolver los problemas planteados, se manejan tanto el Sistema Internacional de Unidades (SI) como el sistema ingls (pulgada-libra-segundo), casi en la misma proporcin. La referencia bsica para manejar unidades del SI se encuentra en la norma IEEE/ASTM -SI-10 Standardfar Use o f the m em aonal System o f Units (SI): The M odem Meiric System, que sustituy las normas ASTM E380 y ANSI/ IEEE 268-1992.

11. Extensos apndices y labias detalladas en muchos captulos, para ayudar al lector a que tome decisiones reales de diseo, consultando slo este libro.

MDESIGN- PROGRAMA DE DISEO MECNICO

QUE SE INCLUYE EN ESTE LIBRO

El diseo de elemenios de mquinas implica, en forma inherente, procesos extensos, clculos complejos y muchas decisiones de diseo, y deben encontrarse datos en numerosas tablas y grficas. Adems, en el caso tpico, el diseo es iterativo y requiere que el diseador pruebe con varias opciones para determinado elemento, y repita los clculos con datos nuevos o decisiones nuevas de diseo. Esto es especialmente vlido para los dispositivos mecnicos completos, los cuales poseen varios componentes cuando se tienen en cuenta las relaciones entre ellos. Con frecuencia, los cambios a un componente requieren modificaciones a los elementos que entran en contacto con l. El uso de programas de cmputo para diseo mecnico facilita el proceso de diseo ya que ejecuia muchas de las tareas y deja las principales decisiones a la creatividad y el juicio del diseador o del ingeniero.

S ubrayam os que los usuarios de p rog ram as de cm puto deben com prender bien los princip ios del diseo, haciendo hincapi en el anlisis p a ra a seg u ra r que las decisiones se basen en cim ientos Sables. Recom endam os que slo se em pleen los p rogram as despus de dom inar determ inada metodologa del diseo, y de haber estudiado y aplicado con cuidado las tcnicas m anuales.

El libro incluye un CD con el programa de diseo mecnico MDESIGN, creado por TE- DATA Company. Esi tomado del programa M DESIGN mee, producido para el mercado europeo; la versin para Estados Unidos emplea normas y mtodos de diseo que se usan de manera general en Amrica del Norie. Muchas de las ayudas textuales y procedimientos de diseo se originaron en este libro.

Los temas para los que se puede emplear el programa MDESIGN como suplemento de este libro, comprenden:

Anlisis de esfuerzos Deflexiones de vigas Crculo de Mohr Columnasen vigas

Trasmisiones por bandas Transmisiones por cadenas Engranes rectos Engranes helicoidales Ejes Cuas Husillos ResortesRodamientos Cojinetes de superficie Uniones atornilladas Tomillos

(lisos)Embragues Frenos

Prefacio v

CARACTERSTICAS DE LA

CUARTA EDICIN

Iconos especiales, como el de MDESIGN de la pgina anterior, aparecen al margen, en lugares de este libro donde se considera adecuado emplear el programa. (El Manual de soluciones, en ingls y slo disponible para los profesores que usen este libro en clases programadas, contiene una gua para usar el programa.)

Para tener acceso a los apoyos didcticos de esta obra, contacte a su representante local de Pearson Educacin.

En esta edicin se conserva y perfecciona el mtodo prctico para disear elementos de mquinas en el contexto de los diseos mecnicos completos. Se ha actualizado el texto con la inclusin de nuevas fotografas de componentes de mquinas disponibles en el comercio, nuevos datos de diseo para algunos elementos, normas recientes o corregidas, nuevas referencias al final de cada captulo, listas de sitios de Internet y algunos elementos totalmente inditos. La siguiente lista resume las principales caractersticas y actualizaciones.

1. Se ha conservado la estructura del libro, en tres panes, introducida en la tercera edicin.

Parte I (captulos 1-6): se orienta a repasar y actualizar la comprensin de las filosofas del diseo, por parte del lector, as como los principios de la resistencia de materiales, las propiedades de los materiales en el diseo, los esfuerzos combinados, el diseo para diversos tipos de carga y el anlisis y diseo de columnas.

Parte H (captulos 7-15); est organizado en tomo al concepto del diseo de un sistema completo de transmisin de potencia, y cubre algunos de los elementos principales de mquinas, como transmisiones por bandas, transmisiones por cadenas, ejes, cuas, acoplamientos, sellos y rodamientos. Esos temas se vinculan entre s para subrayar tanto sus interrelaciones como sus caractersticas nicas. El captulo 15, Terminacin del diseo de una transmisin de potencia, es una gua para la toma de decisiones en un diseo detallado, como la distribucin general, los dibujos de detalle, las tolerancias y los ajustes.

Parte HI (captulos 16-22): presenta mtodos de anlisis y diseo de varios elementos de mquina importantes que no se vieron en el diseo de una transmisin de potencia. E s io s captulos se pueden cubrir en cualquier orden, o bien se pueden utilizar como material de referencia para proyectos generales de diseo. Aqu se describen engranes rectos, elementos de movimiento lineal, tomillos o sujetadores, resortes, armazones de mquinas, uniones atornilladas, uniones soldadas, motores elctricos, controles, embragues y frenos.

2. Las secciones Panorama, Usted es el diseador y Objetivos, introducidas en las ediciones anteriores, se conservan y perfeccionan. Fue muy favorable la opinin entusiasta de los lectores, tanto alumnos como profesores, acerca de e su s caractersticas. Ayudan al lector a establecer relaciones con base en su propia experiencia, y a apreciar los conocimientos que adquirirn al estudiar cada captulo. Este mtodo est respaldado por las teoras construciivistas del aprendizaje.

3. Algunos de los temas actualizados, en los captulos individuales, se resumen como sigue:

En el captulo 1, se perfeccion la descripcin del proceso de diseo mecnico y se agregaron fotografas recientes. Se incluyen sitios de Internet para diseo mecnico, tiles en captulos posteriores. Algunos se refieren a organizaciones normativas, programas de anlisis de esfuerzos y bases de datos de consulta sobre una amplia variedad de productos y servicios tcnicos.

El captulo 2, Materiales en el diseo mecnico, fue mejorado en forma notable; se le agreg informacin sobre fluencia (deformacin gradual), hierro dctil aus- templado (templado desde bainita, ADI, de austempered ductile ron), tenacidad, energa de impacto y algunas consideraciones especiales para seleccionar plsticos. Adems, se incorpor una seccin totalmente nueva sobre la seleccin de m ateriales. La extensa lista de sitios de Internet'permite a los lectores el acceso a datos

Prefacio

industriales sobre, virtualmente, todo tipo de material descrito en el captulo, donfle algunos aspectos se vinculan a nuevos problemas prcticos.

El captulo 3, Anlisis de esfnerzos y deformaciones, tiene un agregado donde se repasa el anlisis de fuerzas, y se depuran los conceptos de los elementos del esfuerzo, los esfuerzos normales combinados y las vigas con momentos de flexin concentrados.

El captulo 5, Diseo para distintos tipos de carga, se actualiz y mejor en forma sustancial en los temas de resistencia a la fatiga, filosofa de diseo, factores de diseo, predicciones de fallas, perspectiva de los enfoques estadsticos en el diseo, duracin finita y acumulacin de dao. Se cambi el mtodo recomendado de diseo para fatiga: del Criterio de Soderberg al M todo de Goodman. Se agreg el Mtodo de M ohr modificado para m iembros fabricados con materiales frgiles.

En el captulo 7 se agregaron las transmisiones por bandas sncronas, y se incluyeron nuevos datos de potencias nominales por cadenas.

El captulo 9, Diseo de engranes rectos, se mejor con la incorporacin de nuevas fotografas de maquinaria para tallado de engranes, recientes normas de la AGMA para calidad de engranes, detalladas descripciones de la medicin funcional de la calidad del engrane, minuciosa descripcin del factor I para resistencia a la picadura, ms informacin sobre lubricacin de engranes y una seccin aumentada sobre engranes de plsticos.

El captulo 11, muestra informacin actualizada sobre cubos sin cuas, en las uniones de los tipos Ringfeder y poligonal para eje, as como sobre la junta universal Cornay. La extensa lista de sitios de Internet proporciona acceso a datos para cuas, acoplamientos, juntas universales y sellos

Al captulo 12, Diseo de ejes, se le aadi informacin sobre las velocidades crticas, otras consideraciones dinmicas y ejes flexibles.

Al captulo 16, Cojinetes de superficie plana, se le agreg una seccin totalmente nueva Tribologa: Friccin, lubricacin y desgaste". Se proporcionan ms datos sobre factores p V para cojinetes lubricados en contorno.

Se ha conservado el captulo 17, Elementos con m ovim iento lineal, el cual comprende aspectos sobre los husillos (tom illos motrices), tomillos de bolas y actuadores lineales.

Entre las mejoras al captulo 18, S u je tado res , estn la resistencia de las roscas al cortante, los componentes del par torsional aplicado a un tomillo y los mtodos de apriete de tomillos.

Reconocimientos

Extiendo mi aprecio a quienes me hicieron tiles sugerencias para mejorar este libro. Agradezco al personal editorial de Prentice Hall Publishing Company, a quienes proporcionaron las ilustraciones y a los muchos lectores del libro, tanto profesores como alumnos, con quienes he tenido intercambio de ideas. Mi aprecio especial a mis pares de la Universidad de Dayton, profesores David Myszka, /am es Penrod, oseph Untener, Philip Doepker y Robert Wolff. Tambin agradezco a quienes hicieron las exhaustivas revisiones de la edicin anterior: M anan Barasch, del Hudson Valley Comraunity College; Ismail Fidan, de la Tennessee Tech University', Paul Unangsu de la Milwaukee School o f Engineering; Richard AJexander, de la Texas A & M University y a Gary Qi, de The University of Memphis. Agradezco en especial a mis alumnos, anteriores y actuales, por su entusiasmo y retroalimentacin positiva sobre este libro.

R o b e n L M ot

Contenido

PARTE I Principios de diseo y anlisis de esfuerzos 1

1 La naturaleza del diseo mecnico 2

Panorama 3

Usted es el diseador 9

1-1 Objetivos de este captulo 9

1-2 El proceso del diseo mecnico 9

1-3 Conocimientos necesarios en el diseomecnico 11

1-4 Funciones, requisitos de diseo y criterios deevaluacin 11

1-5 Ejemplo de la integracin de los elementos demquina en un diseo mecnico 14

1-6 Ayudas de cmputo en este libro 17

1-7 Clculos de diseo 17

1-8 Tamaos bsicos preferidos, roscas de tomillos yperfiles estndar 18

1-9 Sistemas de unidades 24

1-10 Diferencia entre peso, fu e ra y masa 26

Referencias 27

Sitios de Internet 27

Problemas 28

2 Materiales en el diseo mecnico 29

Panorama 30



2-2 Propiedades de los materiales 32

2-3 Clasificacin de metales y aleaciones 44

2-4 Variabilidad de los datos sobre propiedades de losmateriales 45

2-5 Acero al carbn y aleado 46

2-6 Condiciones para aceros y tratamiento trmico 49

2-7 Aceros inoxidables 53

2-8 Acero estructural 54

2-9 Aceros para herramientas 54

2-10 Hierro colado 54

2-11 Metales pulverizados 56

2-12 Aluminio 57

2-13 Aleaciones de zinc 59

2-14 Titanio 60

2-15 Cobre, latn y bronce 60

2-16 Aleaciones a base de nquel 61

2-17 Plsticos 61

2-18 Materiales compuestos 65

2-19 Seleccin de materiales 77

Referencias 78

Sitios de Internet 79

Problemas 80

3 Anlisis de esfuerzos ydeformaciones 83

Panorama 84



3-2 Filosofa de un diseo seguro 89

3-3 Representacin de esfuerzos en un elemento deesfuerzos 89

3-4 Esfuerzos directos: tensin y compresin 90

3-5 Deformacin bajo una carga axial directa 92

3-6 Esfuerzo cortante directo 92

3-7 Relacin entre par de torsin, potencia yvelocidad de giro 94

3-8 Esfuerzo cortante torsional 95

3-9 Deformacin por torsin 97

3-10 Torsin en miembros con seccin transversal nocircular 98

3-11 Torsin en tubos cebados de pared delgada 1003-12 Tubos abiertos y comparacin con los tubos

cerrados 100

3-13 Esfuerzo cortante vertical 102

3-14 Frmulas especiales de esfuerzo cortante 104

viii Contenido

3-15 Esfuerzo debido a flexin 105

3-16 Cencro de flexin para vigas 107

3-17 Deflexiones en vigas 108

3-18 Ecuaciones para la forma de la vigaflexionada 110

3-19 Vigas con momentos de flexin concentrados 112

3-20 Esfuerzos normales combinados: principio desuperposicin 117

3-21 Concentraciones de esfuerzos 119

3-22 Sensibilidad a la muesca y facior de reduccin de resistencia 122

R eferencias 123

Sitios de In te rn e t 123

Problem as 123

4 Esfuerzos combinados y el crculo de Mohr 135

P anoram a 136

U sted es el d iseador 136


4-2 Caso general de esfuerzos combinados 138

4-3 El circulo de M ohr 145

4-4 Problemas prcticos para el crculo de Mohr 151

4-5 Un caso: cuando ambos esfuerzos principalestienen el mismo signo 155

4-6 El circulo de Mohr para condiciones especiales deesfuerzos 158

4-7 Anlisis de condiciones complejas de carga 161

R eferencias 162


Problem as 162

5 Diseo para distintos tipos de carga 163

P an o ram a 164

Usted es el d iseador 166


5-2 Tipos de carga y relacin de esfuerzos 166

5-3 Resistencia a la fatiga 172

5-4 Resistencia a la fatiga real estimada, s ' 173

5-5 Problemas ejemplo para estimar la resistencia a 1afatiga real 181

5-6 Filosofa de diseo 182

5-7 Factores de diseo 185

5-8 Predicciones de falla 186

5-9 Mtodos de anlisis de diseas 193

5-10 Procedimiento general de diseo 197

5-11 Ejemplos de diseo 200

5-12 Mtodos estadsticos para el diseo 213

5-13 Vida finita y mtodo de acumulacin de daos 214

Referencias 218

Problem as 219

6 Columnas 229

Panoram a 230

Usted es el d iseado r 231


6-2 Propiedades de la seccin transversal de unacolumna 232

6-3 Fijacin de un extremo y longitud efectiva 232

6-4 Relacin de esbeltez 234

6-5 Relacin de esbeltez de transicin 234

6-6 Anlisis de columnas largas: la frmula de Euler 235

6-7 Anlisis de columnas cortas: la frmula de J. B.Johnson 239

6-8 Hoja de clculo para anlisis de columnas 241

6-9 Formas eficientes de seccin transversal decolumnas 244

6-10 Diseo de columnas 245

6-11 Columnas torcidas 250

6-12 Columnas con carga excntrica 251

Referencias 257

Problem as 257

PARTE II Diseo de una transmisin mecnica 261

7 Transmisiones por bandas y por cadenas 264

P anoram a 265



7-2 Tipos de transmisiones por bandas 268

7-3 Transmisiones por bandas en V 269

Contenido ix

7-4 Diseo de transmisiones por bandas en V 272

7-5 Transmisiones por cadenas 283

7-6 Diseo de transmisiones de cadenas 285

R eferencias 296

Sitios de In terne t 298

Problem as 298

v.- 8 Cinemtica de los engranes 300

P anoram a 301



8-2 Estilos de engranes rectos 306

8-3 Geometra de los engranes rectos: forma involutadel diente 307

8-4 Nomenclatura y propiedades del diente de engranes rectos 308

8-5 Interferencia entre dientes de engranes rectos 320

8-6 Relacin de velocidades y trenes de engranes 322

8-7 Geometra de los engranes helicoidales 329

8-8 Geometra de los engranes cnicos 333

8-9 Tipos de engranes de tomillo sinfn 339

8-10 Geometra del tomillo y engrane sinfn 341

8-11 Geometra tpica de los conjuntos de sinfn y corona 344

8-12 Valor de tren para trenes de engranajes complejos 347

8-13 Proposicin de trenes de engranajes 350

Referencias 357


P roblem as 358

V 9 Diseo de engranes rectos 363

P anoram a 364



9-2 Conceptos de los captulos anteriores 366

9-3 Fuerzas, par torsional y potencia en engranes 367

9-4 M anufactura de engranes 370

9-5 Calidad de engranes 372

9-6 Nmeros de esfuerzo admisibles 3789-7 Materiales de los engranes metlicos 379

9-8 Esfuerzos en los dientes de engranes

v>OO

9-9 Seleccin del material del engrane con base en elesfuerzo flexionante 394

9-10 Resistencia a la picadura de los dientes de engranes 399

9-11 Seleccin del material del engrane con base en el esfuerzo de contacto 402

9-12 Diseo de engranes rectos 407

9-13 Diseo de engranes con el sistema de mdulomtrico 413

9-14 Diseo y anlisis de engranes rectos asistido por computadora 415

9-15 Uso de la hoja de clculo para el diseo de engranes rectos 419

9-16 Capacidad de transmisin de potencia 428

9-17 Consideraciones prcticas para engranes y suinterfase con otros elementos 430

9-18 Engranes de plstico 434

Referencias 442Sitios de In te rn e t 443

Problem as 444

10 Engranes helicoidales, cnicos y de tornillo sinfn y corona 449

P an o ram a 450



10-2 Fuerzas sobre los dientes de engranes helicoidales 452

10-3 Esfuerzos en los dientes de engranes helicoidales 455

10-4 Resistencia a la picadura de los dientes deengranes helicoidales 459

10-5 Diseo de engranes helicoidales 460

10-6 Fuerzas en los engranes cnicos rectos 463

10-7 Cargas sobre los cojinetes de ejes en engranes cnicos 465

10-8 M omentos ejdonantes en ejes de engranescnicos 470

10-9 Esfuerzos en los dientes de engranes cnicosrectos 470

10-10 Diseo de engranes cnicos por resistencia a la picadura 473

10-11 Fuerzas, friccin y eficiencia en conjuntos de tomillo sinfn y corona 475

10-12 Esfuerzos en los dientes de tomillos sinfines y coronas 481

10-13 Durabilidad de la superficie en transmisiones de tomillo sinfn y corona 482

Referencias 4-88 Sitios de In te rn e t 489

P rob lem as 489

-i 11 Cuas, acoplamientos y s'ellos 491

P anoram a 492



11-2 Cuas 494

11-3 Materiales para las cufias 498

11-4 Anlisis de esfuerzos para determinar la longitud de las cuas 499

11-5 Estrias 503

11-6 Otros mtodos para fijar elementos en los ejes 508

11-7 Acoplamientos 513

11-8 Juntas universales 516

11-9 Anillos de retencin y otros mtodos de localizacin axial 518

11-10 Tipos de sellos 521

11-11 Materiales de los sellos 525

Referencias 526


P roblem as 528

^1 2 Diseo de ejes 530

P anoram a 531

Usted es el d ise ad o r 532

X


12-2 Procedimiento para disear ejes 532

12-3 Fuerzas que ejercen los elementos de mquinas sobre los ejes 535

12-4 Concentraciones de esfuerzos en los ejes 540

12-5 Esfuerzos de diseo para ejes 543

12-6 Ejes slo sometidos a flexin y a torsin 546

12-7 Ejemplo de diseo de un eje 548

12-8 Tamaos bsicos recomendados para los ejes 552

12-9 Ejemplos adicionales de diseo 553

12-10 Hoja de clculo auxiliar en el diseo de ejes 561

12-11 Rigidez del eje y consideraciones dinmicas 562

12-12 Ejes flexibles 563

R eferencias 564


P roblem as 565

13 Tolerancias y ajustes 575

P anoram a 576



13-2 Factores que afectan las tolerancias y losajustes 578

13-3 Tolerancias, procesos de produccin y costos 578

13-4 Tamaos bsicos preferidos 581

13-5 Ajustes de holgura 581

13-6 Ajustes de interferencia 585

13-7 Ajustes de transicin 586

13-8 Esfuerzos en ajustes forzados 587

13-9 M todos generales para asignar tolerancias 591

13-10 Diseo de producto robusto 592

R eferencias 594


P roblem as 595

14 Cojinetes con contado de rodadura 597

P anoram a 598

Usted es e l d iseado r 599


14-2 Tipos de cojinetes con contacto de rodadura 600

14-3 Rodamientos de empuje 604

14-4 Rodamientos montados 604

14-5 Materiales de los rodamientos 606

14-6 Relacin entre carga y duracin 606

14-7 Datos de los fabricantes de rodamientos 606

14-8 Duracin de diseo 611

14-9 Seleccin de rodamientos: slo cargas radiales 613

14-10 Seleccin de rodamientos: caigas radiales y de empuje, combinadas 614

14-11 M ontaje de los rodamientos 616

14-12 Rodamientos de rodillos cnicos 618

14-13 Consideraciones prcticas en la aplicacin de los rodamientos 621

14-14 Importancia del espesor de la pelcula de aceite en los rodamientos 624

14-15 Clculo de !a duracin bajo cargas variables 625

R eferencias 627


P roblem as 628

Contenido

Contenido X

15 Terminacin del diseo de una transmisin de potencia 630

P anoram a 631


15-2 Descripcin de la transmisin de potencia adisear 631

15-3 Alternativas de diseo y seleccin del mtodo de diseo 633

15-4 Opciones de diseo para el reductor de engranes 635

15-5 Proposicin general y detalles de diseo delreductor 635

15-6 Detalles finales de diseo para [os ejes 652

15-7 Dibujo del conjunto 655

R eferencias 657


PARTE III Detalles de diseo y otros elementos de mquinas 659

16 Cojinetes de superficie plana 660

P an o ram a 661



16-2 La tarea de disear un cojinete 663

16-3 El parmetro nn/p del cojinete 665

16-4 Materiales para cojinetes 666

16-5 Diseo de cojinetes coa lubricacin 668

16-6 Cojinetes con lubricacin hidrodinmica depelcula completa 674

16-7 Diseo de cojinetes con lubricacinhidrodinmica de pelcula completa 675

16-8 Consideraciones prcticas para los cojinetes de superficie plana 682

16-9 Cojinetes hidrostticos 683

16-10 Tribologa: Friccin, lubricacin y desgaste 687

R eferencias 691


P roblem as 693

17 Elementos con movimiento lineal 694

P anoram a 695



17-2 Tomillos de potencia 699

17-3 Tomillos de bolas 704

17-4 Consideraciones de aplicacin para tomillos depotencia y tomillos de bolas 707

R eferencias 709


Prob lem as 709

18 Sujetadores 711

P an o ram a 712



18-2 M ateriales para pernos y sus resistencias 714

18-3 Designaciones de roscas y rea de esfuerzo 717

18-4 Carga de sujecin y apriete de las unionesatornilladas 719

18-5 Fuerza aplicada externamente sobre una uninatornillada 722

18-6 Resistencia al arranque de rosca 723

18-7 Otros tipos de sujetadores y accesorios 724

18-8 Otros mtodos de sujecin y unin 726

R eferencias 727


P roblem as 728

'Z 19 Resortes 729

P an o ram a 730



19-2 Tipos de resortes 732

19-3 Resones helicoidales de compresin 735

19-4 Esfuerzos y deflexiones en resortes helicoidalesde compresin 744

19-5 Anlisis de las caractersticas de los resortes 746

19-6 Diseo de resortes helicoidales de compresin 749

19-7 Resortes de extensin 757

19-8 Resortes helicoidales de torsin 762

19-9 Perfeccionamiento de tos resortes mediante remachado por municin 769

19-10 Fabricacin de resortes 770

R eferencias 770


Prob lem as 771

x Contenido

20 Bastidores de mquina, conexiones atornilladas y uniones soldadas 773

P an o ram a 774



20-2 Bastidores y estructuras de mquinas 776

20-3 Juntas atornilladas y con cargas excntricas 780

20-4 Uniones soldadas 783

Referencias 792


Problem as 793

21 Motores elctricos y controles 795

Panorama 796



21-2 Factores de seleccin de motores 798

21-3 Energa de corriente alterna e informacin general sobre motores de CA 799

21-4 Principios de operacin de los motores deinduccin para CA 800

21-5 Funcionamiento del motor de CA 802

21-6 Motores trifsicos de induccin, de jaulade ardilla 803

21-7 Motores monofsicos 806

21-8 Tipos de armazones y cajas para motoresde CA 808

21-9 Controles para motores de CA 811

21-10 Corriente directa 820

21-11 Moiores de corriente direcia 821

21-12 Control de motores de corriente directa 824

21-13 Otros tipos de motores 824

R eferencias 826


P roblem as 827

22 Embragues y frenos 830

P anoram a 831



22-2 Descripciones de los embragues y los frenos 833

22-3 Tipos de embragues y frenos de friccin 835 *

22-4 Parmetros de funcionamiento 840

22-5 Tiempo necesario para acelerar una carga 841

22-6 Inercia de un sistema en funcin de la velocidaddel eje del embrague 844

22-7 Inercia efectiva de cuerpos en movimientolineal 845

22-8 Absorcin de energa: necesidades de disipacinde calor 846

22-9 Tiempo de respuesta 847

22-10 Materiales de friccin y coeficientes de friccin 849

22-11 Embrague o freno de placa 851

22-12 Frenos de disco calibrador 854

22-13 Embrague o freno de cono 854

22-14 Frenos de tambor 855

22-15 Frenos de banda 860

22-16 Otros tipos de embragues y frenos 862

Referencias 864


P roblem as 865

23 Proyectos de diseo 867


23-2 Proyectos de diseo 868

Apndices A-1

A pndice I Propiedades de las reas A -1

A pndice 2 Tam aos y roscas bsicos preferidos de tom illos A-3

A pndice 3 Propiedades de diseo para los aceros al carbn y aleados A -6

A pndice 4 Propiedades de los aceros con tratam iento trm ico A -8

A pndice 5 Propiedades de los aceros cem entados A -11

A pndice 6 Propiedades de los aceros inoxidables A -J2

A pndice 7 Propiedades de los aceros estructurales A-13

A pndice 8 Propiedades de diseo para el hierro colado A -14

Apndice 9 Propiedades tpicas del aluminio A-15

A pndice 10 Propiedades tpicas de las aleaciones de zinc colado A -16

Contenido xiii

A pnd ice 11

A pndice 12

A pnd ice 13

A pndice 14

A pndice 15

A pndice 16

Propiedades de las aleaciones de titanio A -16

Propiedades de los bronces A -17

Propiedades tpicas de algunos plsticos seleccionados A -17

Frmulas para deflexin de vigas A-18

Factores de concentracin de esfuerzos A-27

Perfiles estructurales de acero A -3 1

A pndice 17 Perfiles estaicturales de aluminio A-37

A pndice 18 Factores de conversin A-39

A pnd ice 19 Tabla de conversin de durezas A-40

A pnd ice 20 Factor de geom etra / para picadura en engranes recto A -41

Respuestas a problemas seleccionados R-44

ndice 1-1

PARTE I

Principios de diseo y anlisis de esfuerzos

OBJETIVOS Cuando termine de estudiar los seis prim eros captulos de este libro com prender las filo*Y CONTENIDO sofas de diseo y aplicar los principios de resistencia de m ateriales, ciencia de materia-DE LA PARTE I les y procesos de manufactura, que ya haba aprendido antes. L a destreza adquirida en st

captulos le ser til en todo el libro, y en proyectos de diseo jen e in l de mquinas o d i productos.

Captulo 1: L a naturaleza del diseo m etu ku le ayuda 4 c'.mipitntler s i ginr. panorama del proceso de diseo mecnico. Se presentan varios ejemplos (ie distintos cciu ts de la industria: productos al consumidor, sistemas de manufactura, equipo de instruccin, equipo agrcola, equipo de transpone, barcos y sistirmus pacales, S r tfescritrai las responsabilidades de los diseadores, junto con un ejem plo de la naturaleza iterativa dei p r i e s a d? diseo. El captulo se completa con unidades y convexiones.

Captulo 2: M ateriales en el diseo m ecnico subrayan l.is propiedades de diseo de los materiales. Es probable que gran p ane de este captulo sa un repaso para usted, pero se presenta para subrayar la importancia de seleccionar los materiales en el proceso de diseo, y para explicar los datos de materiales presentados en Los apndices.

Captulo 3: Anlisis de esfuerzos y deformaciones involucra un repaso de ios principios bsicos del anlisis de esfuerzos y deformaciones. Es esencial que usted comprenda los conceptos bsicos que aqu se resumen antes de continuar con el siguiente maten a]. Se repasan los esfuerzos de tensin y compresin directos, y los esfuerzos cortantes, esfuerzo* de flexin y esfuerzos de cortante p or torsin.

Captulo 4: Esfuerzos com binados y el crculo de M ohr, es imprtanle porque muchos problemas generales de diseo y el diseo de clcmentiK de mquinas, qut s t implicarn en captulos posteriores, implican esfuerzos combinados, Puede ser que el teetnr haya, aprendido esos temas en un curso de resistencia de materiales.

Captulo 5: Diseo para distintos tipos de carga: es una descripcin profunda de [os factores de diseo, la fatiga y muchos de los detalles del anlisis de esfuerzos, lid euirm s manejan en este libro.

Captulo 6 : Colum nas describe los miembros largos, esbeltos, con carga uta!, uf tienden ms a fallar por pandeo que por rebasar los esfuerzos de fluencia, ltimo o cortante del material. Aqu se repasan mtodos especiales de diseo y anlisis.

1

1La naturaleza del diseo mecnico

Panorama

Usted es el diseador

1-1 Objetivos de este captulo

1-2 El proceso del diseo mecnico

1-3 Conocimientos necesarios en el diseo mecnico

1-4 Funciones, requisitos de diseo y criterios de evaluacin

1-5 Ejemplo de la integracin de los elementos de mquina en un diseo mecnico

1-6 Ayudas de cmputo en este libro

1-7 Clculos de diseo

1-8 Tamaos bsicos preferidos, roscas de tomillos y perfiles estndar

1-9 Sistemas de unidades

1-10 Diferencia entre peso, fuerza y masa

La naturaleza del diseo mecnico

M apa de d is c u s i n

Para disear componentes y aparatos mecnicos, el lector debe ser competente en el diseo de los elementos Individuales que forman al sistema.

Pero tambin debe poder integrar varios componentes y equipos en un sistema coordinado y robusto que satisfaga las necesidades de su cliente.

Descubra

Ahora piense en los mltiples cam pos donde puede aplicar el diseo mecnico:Cules son algunos de los productos de e so s campos? Qu clase de materiales se usan en los productos? Cules son algunas de las propiedades nicas de los productos?Cmo se fabricaron los com ponentes?Cmo se ensamblaron las p iezas de los productos7 Imagine que s e trata de productos al consumidor, equipo de construccin, maquinaria agrcola, sistem as de manufactura y sistema de transportes en tierra, aire, en el espacio y bajo el agua.

En este libro, encontrar los m todos de aprendizaje bsico de Diseo de elem entos de mquinas.

El diseo de elementos de mquinas es pane integra] del ms extenso y general campo del diseo mecnico. Los diseadores y los ingenieros de diseo crean aparatos o sisiemas que satisfagan necesidades especficas. En el caso tpico, los aparatos mecnicos comprenden piezas mviles que transmiten potencia y ejecutan pautas especficas de movimiento Los sistemas mecnicos estn formados por varios aparatos mecnicos.

Por lo anterior, para disear componentes y aparatos mecnicos, el lector debe ser competente en el diseo de los elementos individuales que componen el sistema, Pero tambin debe poder integrar varios componentes y equipos en un sistema coordinado y que satisfaga las necesidades de su cliente. De esta lgica viene el nombre de este libro, Diseo de elementos de m quinas.

Imagine los numerosos campos en los que se puede usar el diseo mecnico. Platique sobre ellos con su profesor y con sus compaeros de estudios. Intercambie opiniones con personas que trabajen con diseos mecnicos en las industrias cercanas. Si es posible, intente visitar sus empresas o renase con diseadores e ingenieros de diseo en eventos de sociedades profesionales. Considere los siguientes campos donde se disean y fabrican los productos mecnicos.

Producios a l consum idor: Electrodomsticos (abrelatas, procesadores de alimentos, licuadoras, tostadores, aspiradoras, lavadoras de ropa), podadoras de pasto, sierras de cadena, herramientas motorizadas, abrepuertas de cochera, sistemas de acondicionamiento de aire y muchos otros ms. Vea las figuras l- l y 1-2 con algunos ejemplos de los producios que se consiguen en el comercio.

Sistem as de m anufactura: Aparatos de manejo de materiales, transportadoras, gras, aparatos de transferencia, robots industriales, mquinas-herramientas, sistemas automticos de ensamblado, sistemas de procesamiento especiales, carros estibadores y equipo de empaque. Vea las figuras 1-3, 1-4 y 1-5

Equipo para la construccin: Tractores con cargador frontal o con escariador, gras mviles, volteadoras de tierra, terraplenadoras, camiones de volteo, asfaltadoras, mezcladoras de concreto, martillos motorizados, compresoras y muchos ms. Vea las figuras 1-5 y 1-6.

3

4 Captu lo 1 La naturaleza del d iseo mecnico

FIG U R A 1-1 Sierra de banda accionada con un taladro [Cortesa de Black & Decker (U.S.) Inc.]

Taladro no incluido

b) Taladro manual accionado por la sierra

La naturaleza del diseo mecnico

a) Instalacin del transportador de cadena donde se muestra el sistema de accionamiento que engancha la cadena

b) Sistema de cadena y rodillos soportados sobre una viga I

c) Detalte del sistema de accionamiento y su estructura

FIG U R A 1-3 Sistema de transportador de cadena (Richards-Wilcox, Inc., Aurora, 1L)

6 Capitu lo 1 La naturaleza del diseo mecnico

a) Mquina de ensamble amomdiicocon tabla divisora b> Mecanismo

La naturaleza del diseno mecnico 7

FIGURA 1-7 Tracior arrastrando un implemento (Case IH, Racine, WI)

FIG U R A 1-8 Corte de ud tractor (Case tH, Racine, WI)

Equipo agrcola: Tractores, cosechadoras (de maz, trigo, tomates, algodn, frutas y muchos otros cultivos), rastrillos, empacadoras, arados, arados de disco, cultivadoras y transportadores. Vea las figuras 1-6, 1-7 y 1-8.

Equipo de transporte: a) Automviles, camiones y autobuses, ensamblados c o d cientos de aparatos mecnicos, como componentes de suspensin (resortes, amortiguadores y postes) , cerraduras de puertas y ventanas, limpiadores de parabrisas, sistemas de direccin, seguros y bisagras de cofre y cajuela; sistemas de embrague y de frenos, transmisiones; ejes de impulsin; ajustadores de asiento y muchos ocros componentes de los sistemas de motor, b) Aviones, que tienen tren de aterrizaje retrctil, accionamientos de alerones y timn, dispositivos de manejo de carga, mecanismos de reclinacin de asientos, docenas de broches, componentes estructurales y cerraduras de puertas. Vea las figuras 1-9 y 1-10.

Barcos: Montacargas para izar el ancla, gras para carga, antenas giratorias de radar, tren del timn de direccin, engranes y ejes del tren de impulsin, y los numerosos sensores y controles para operar los sistemas a bordo.

Sistemas espaciales: Sistemas satelitales, el transbordador espacia], la estacin espa cial y sistemas de lanzamiento; todos ellos contienen numerosos sistemas mecnicos, como aparatos para desplegar antenas, trabas, sistemas de atraque, brazos robticos, dispositivos de control de vibracin, dispositivos para asegurar la carga, posicionadores para instrumentos, actuadores para los impulsores y sistemas de propulsin.

Cuntos ejemplos de aparatos y sistemas mecnicos se pueden agregar a esta lista?

Cules son algunas de las operaciones exclusivas de los productos en estos campos?

Qu clase de mecanismos comprenden?

Qu clase de materiales se usan en los productos?

Cmo se fabricaron los componentes?

Cmo se armaron las piezas para formar los productos ienn.mados'J

En este libro encontrar los medios para aprender los principios de Diseo de elementos de mquinas. En la introduccin de cada captulo se presenta un breve escenario llamado Usted es el diseador. El propsito de esos escenarios es estimular su razonamiento acerca del material que se presente en el captulo, y mostrar ejemplos de casos reales donde lo puede aplicar.

8 C aptulo 1 La naturaleza del d iseo mecnico

FIG U R A 1-10Conjunto del tren de aterrizaje de un avin (The Boeing Company, Seattle, WA)

deesetnboguc

a) Fotografa del mecanismo instalado

FIG U R A 1-9 M ecanismo impulsor de cerradura de un

b} Mecanismo impulsor de la puerta de la cabina

avin (The Boeing Company, Seattle, WA)

Seccin 1 -2 El proceso del diseo mecnico 9

Usted es el disenador

Ahora considere que usted es el diseador responsable de un producto nuevo a ta venta, como la sierra de cinta para un ta ller en el hogar, tal com o se muestra e r la figura 1 -1. Ou tipo de preparacin tcnica necesitara para com pletar el diseo? Qu pasos seguirla? Qu informacin necesitara? Cmo demostrara, con clcu

los, que el d iseo es seguro y que el producto ejecutar la funcin que se espera?

Las respuestas generales a estas preguntas se presentarn en este captulo. Cuando term ine de estudiar este libro, aprender m uchas tcnicas de diseo que le ayudarn a d isear una gran variedad de elem entos de mquina, y al incorporarlos en un sistema mecnico, para considerar las relaciones entre los elementos.

1-1 Al terminar este captulo, el lector podr:OBJETIVOS DE

ESTE CAPITULO 1. Reconocer ejemplos de sistemas mecnicos, donde se describe la necesidad de aplicarlos principios descritos en este libro para terminar el diseo.

2. Enlistar los conocimientos de diseo que se requieren para efectuar un diseo mecnico competente.

3. Describir la importancia de integrar los elementos de mquinas individuales en un sistema mecnico ms complejo.

4. Describir los elementos principales del proceso de realiwcin del producto.

5. Escribir los enunciados de las funciones y los requisitos de diseo para dispositivos mecnicos.

6. Establecer un conjunto de criterios para evaluar los diseos propuestos.

7. Trabajar con las unidades adecuadas en clculos de diseo mecnico, ya sea en el sistema ingls o en el sistema m trico SI.

8. Distinguir entre fuerza y masa, y expresarlas en forma correcta en ambos sistemas de unidades.

9. Presentar los clculos de diseo en forma profesional, pulcra y ordenada, para que puedan ser comprendidos y evaluados por otras personas que conozcan el campo del diseo de mquinas.

1-2EL PROCESO DEL DISEO

MECNICO

E l lector disea un abrelatas para e l mercado domstico. El cliente final es la persona que comprar el abrelatas y lo usar en la cocina de su hogar. Entre los dems clientes podrn estar el diseador del empaque del abridor, el equipo de fabricacin que debe producirlo en forma econm ica y el personal de servicio que reparar la unidad.

El lector disea una pieza de maquinaria de produccin, para una planta m anufacturera. Entre los clientes estn el ingeniero de manufactura, responsable de la operacin de produccin; el operador de la mquina, el personal que la va a instalar y el personal de mantenimiento que debe darle servicio para mantenerla en buenas condiciones.

E l lector disea un sistema m ecanutulo para abrir una puerta grande en un avin de pasajeros. Entre los clientes estn la persona que debe operar la puerta en servicio normal o en emergencias, las personas que deben pasar por la puerta cuando se use, el

El objetivo final de un diseo mecnico es obtener un producto til que satisfaga las necesidades de un cliente, y adems sea seguro, eficiente, confiable, econmico y de manufactura prctica. Piense al contestar: Quin es el cliente del producto o sistema que disear? Considere los siguientes escenarios:

Captulo 1 La naturaleza del d iseo mecnico

personal que fabricar la cerradura, los instaladores, los diseadores que deben incluir las cargas que produce la cerradura durante el vuelo y durante su funcionamiento, los tcnicos de servicio que darn mantenimiento a] sistema y los diseadores de interiores, que deben proteger la chapa cuando se use y al mismo tiempo permitir el acceso para su instalacin y mantenimiento.

Es esencial que el lector conozca los deseos y expectativas de todos los clientes, antes de comenzar el diseo del producto. Los profesionales de ventas se ocupan, con frecuencia, en conocer la definicin de las expectativas del cliente; pero es probable que los diseadores trabajen junto con ellos como parte de un equipo de desarrollo del producto.

Para determinar qu desea un cliente, existen muchos mtodos. Con frecuencia se aplica uno conocido como despliegue de la funcin calidad (QFD , por qualiry funcon deptoyment) y busca 1) identificar todas las propiedades y los factores de funcionamiento que desean los clientes, y 2) evaluar la importancia relativa de esos factores. El resultado del proceso QFD es un conjunto detallado de funciones y requisitos de diseo para el producto (vea la referencia 8).

Tambin es importante considerar cmo se ajusta el proceso de diseo a todas las funciones que deben cumplirse para que se entregue un producto satisfactorio para el cliente, y para dar servicio al producto durante su ciclo de vida. De hecho, es importante considerar cmo se desechar el producto despus de haber llegado a su vida til. El total de esas funciones que afectan al producto se llama proceso de realizacin del producto o PRP (vea las referencias 3, 10). Algunos de los factores comprendidos en el PRP son:

Funciones de mercadotecnia para evaluar los requerimientos del cliente

Investigacin para determinar la tecnologa disponible que puede usarse en forma razonable en el producto

Disponibilidad de materiales y componentes que pueden incorporarse al producto

Diseo y desarrollo del producto

Prueba de funcionamiento

Documentacin del diseo

Relaciones de vendedores y funciones de compradores

Consideracin de suministro global de materiales y de ventas globales

Conocimientos de la fuerza de trabajo

Planta e instalaciones fsicas disponibles

Capacidad de los sistemas de manufactura

Sistemas de planeacin de la produccin y control de la produccin

Sistemas de apoyo a la produccin y personal

Requisitos de los sistemas de calidad

Operacin y mantenimiento de la planta fsica

Sistemas de distribucin para que los productos lleguen al cliente

Operaciones y programas de ventas

Objetivos de costo y dems asuntos de competencia

Requisitos del servicio al cliente

Problemas ambientales durame la fabricacin, funcionamiento y disposicin del producto

Requisitos legales

Disponibilidad de capital financiero

Puede el lecior agregar algo ms a esta lista?

Seccin 1-4 Funciones, requisitos de diseo y criterios de evaluacin 11

h - 3CONOCIMIENTOS

NECESARIOS EN EL DISEO

MECNICO

1-4FUNCIONES, REQUISITOS

DE DISEO Y CRITERIOS

DE EVALUACIN

Debe el lecior visualizar que el diseo de un producto slo es una parte de un proceso detallado. En este libro se enfocar con ms cuidado a) mismo proceso de diseo, pero siempre debe el lector considerar la facilidad de produccin de sus diseos. Esta consideracin simultnea del diseo del producto y el proceso de manufactura se llama ingeniera actual. Observe que este proceso es un subconjunto de la larga lista anterior del proceso de realizacin del producto. Otros libros principales donde se describen los mtodos generales del diseo mecnico se citan como referencias 6, 7 y 12 a 16.

Los ingenieros de producto y los diseadores mecnicos usan una amplia variedad de capacidades y conocimientos en sus tareas diarias, inclusive las siguientes:

1. Trazado, dibujo tcnico y diseo asistido por computadora

2. Propiedades de los materiales, procesamiento de materiales y procesos de manufactura

3. Aplicaciones de la qumica, como proteccin contra la corrosin, galvanoplastia y pintura

4. Esttica, dinmica, resistencia de materiales, cinemtica y mecanismos

5. Comunicacin oral, atencin, redaccin tcnica y trabajo en equipo

6. M ecnica de fluidos, termodinmica y transferencia de calor

7. Mquinas hidrulicas, los fundamentos de los fenmenos elctricos y controles industriales

8. Diseo de experimentos y pruebas de funcionamiento de materiales y sistemas mecnicos

9. Creatividad, solucin de problemas y gerencia de proyectos

10. Anlisis de esfuerzos

11. Conocimientos especializados del comportamiento de elementos de mquinas, como engranes, transmisiones de bandas, transmisiones de cadenas, ejes, cojinetes, cuas, acanaladuras, acoplamientos, sellos, resortes, uniones (atornilladas, remachadas, soldadas, adhesivas), motores elctricos, dispositivos de movimiento lineal, embragues y frenos.

Se espera que el lecior haya adquirido un alto nivel de competencia en los puntos 1 a 5 de esta lisia, antes de comenzar a estudiar este libro. Las competencias en los punios 6 a 8 suelen adquirirse en otros cursos, ya sea antes, al mismo tiempo o despus de estudiar el diseo de elementos de mquinas. El punto 9 representa destrezas que se desarrollan en forma continua durante los estudios acadmicos y a travs de la experiencia. E l estudio de este libro le ayudar a adquirir conocimientos y destrezas importantes para los lemas de los punios 10 y 11.

En la seccin 1-2 se subray la importancia de identificar con cuidado las necesidades y las expectativas del cliente, antes de comenzar a disear un aparato mecnico. Puede el lector formularlas al producir definiciones claras y completas de las funciones, los requisitos de diseo y los criterios de evaluacin:

Las func iones indican lo que debe hacer el dispositivo, mediante afirmaciones generales no cuantitativas, donde se usen frases de accin tales como soportar una carga, subir una caja, Transmitir potencia o mantener unidos dos miembros estructurales.

Los parmetros de diseo son declaraciones detalladas, en general cuantitativas, de los valores esperados de funcionamiento, condiciones ambientales en las que debe trabajar el dispositivo, las limitaciones de espacio o peso o materiales y componentes d isponibles que pueden usarse.

Los criterios de evaluacin son declaraciones de caractersticas cualitativas deseables en un diseo, que ayudan a que el diseador decida qu opcin de diseo es la ptima; esto es, el diseo que maximice las ventajas y minimice las desventajas.

Captulo 1 l a naturaleza del d iseo mecnico

FIGU RA 1-11 Pasos en el proceso de diseo

Juntos, estos elementos pueden llamarse especificaciones para el diseo.La mayor parte de los diseos pasan por un ciclo de actividades, tal como se muestra en

la figura 1-11. En el caso tpico, e) lector debe proponer ms de un concepto de diseo posible como alternativa. Es ah donde se plantea la creatividad para producir diseos verdaderamente novedosos. Cada concepto debe satisfacer las funciones y los requisitos del diseo. Debe hacerse una evaluacin crtica completa de las propiedades deseables, las ventajas y las desventajas de cada concepio de diseo, para decidir qu concepto de diseo es el ptimo y, en consecuencia, viable para producir.

El cuadro final del diagrama de flujo del diseo es el diseo detallado, y el enfoque principal de este libro se dirige hacia esa parte del proceso general de diseo. Es importante reconocer que hay una cantidad considerable de actividades que precede al diseo detallado.

Ejemplo de funciones, requisitos de diseo y criterios de evaluacin

Imagine que el lector es el diseador de un reductor de velocidad, el cual es parte de la transmisin de un tractor pequeo. El motor del tractor funciona a una velocidad bastante alta, mientras que el accionamiento de las ruedas debe girar con ms lentitud y transmitir un par de torsin mayor que el que est disponible a la salida del motor.

Para iniciar el proceso de diseo, se enlistan las funciones del reductor de velocidad. Qu se supone que haga? Algunas respuestas a esta pregunta son las siguientes:

Funciones, requisitos de diseo y criterios de evaluacin 13

F u ndones

1. Recibir potencia del motor del tractor a travs de un eje giratorio,

2. Transmitir la potencia mediante los elementos de mquina que reducen la velocidad de giro hasta un valor adecuado,

3. Entregar la potencia, con velocidad menor, a un eje que la reciba y que en ltimo termino accione las ruedas del tractor.

Ahora se deben establecer los requisitos dei diseo. La siguiente lista es hipottica, pero si se estuviera en el equipo de diseo del tractor, podra identificar esos requisitos por experiencia propia, con ingenio y consultando a diseadores, personal de ventas, ingenieros de m anufactura, personal de servicio, proveedores y a los clientes.

El proceso de realizacin del producto necesita la colaboracin del personal con todas esas funciones desde las primeras etapas del diseo.

Requisitos de diseo

1. El reductor debe transmitir 15.0 hp.

2. La entrada es de un motor de gasolina de dos cilindros, con una velocidad de giro de 2000 rpm.

3. La salida entrega la potencia a una velocidad de g iro en el in tervalo de 290 a 295 rpm.

4. Es conveniente tener una eficiencia mecnica mayor de 95%.

5. En el reductor, la capacidad mnima de par de torsin a la salida debe ser 3050 libras- pulgada (Ib pulg).

6. La salida del reductor se conecta al eje de impulsin de las ruedas de un tractor agrcola Habr choques moderados.

7. Los ejes de entrada y salida deben estar alineados.

8. El reductor debe asegurarse al armazn rgido, de acero, en el tractor.

9. Es preferible que el tamao sea pequeo. El reductor debe entrar en un espacio no mayor a 2 x 20 pulg, con una altura mxima de 24 pulg.

10. Se espera que el tractor funcione 8 horas (h) diarias, 5 das por semana, con una vida til de 10 aos.

11. Debe protegerse al reductor contra la intemperie, y ste debe ser capaz de funcionar en cualquier lugar de Estados Unidos, a temperaturas que van de 0 a 130 F.

12. En los ejes de entrada y salida se usarn acoplamientos flexibles, para evitar que se transmitan cargas axiales y de flexin al reductor

13. El volumen de produccin ser de 10 000 unidades por ao.

14. Es muy importante que el costo sea moderado, para tener ventas buenas.

15. Deben observarse todas las normas de seguridad gubernamentales y de la industria.

Una preparacin cuidadosa de descripciones de funcin y de requisitos de diseo asegurar que las actividades del diseo se enfoquen hacia los resultados deseados. Puede desperdiciarse mucho tiempo y dinero en diseos que, aunque sean tcnicamente sanos, no reflejan los requisitos de diseo. Entre los requisitos de diseo debe incluirse lodo lo que se necesite, pero al mismo tiempo deben ofrecer amplias oportunidades para la innovacin.

14 Captulo 1 La naturaleza del d iseo mecnico

1-5EJEMPLO DE LA

INTEGRACIN DE LOS

ELEMENTOS DE MQUINA

EN UN DISEO MECNICO

Los criterios de evaluacin deben ser preparados por todos los miembros de un equipo de desarrollo de producto, para asegurar que se incluyan los intereses de todas las partes implicadas. Con frecuencia se asignan factores de ponderacin a los criterios, para reflejar su importancia relativa.

El criterio principal debe ser siempre la seguridad. Los distintos conceptos de diseo pueden tener varios grados de segundad inherentes, adems de cumplir con los requisitos de seguridad que aparecen en la lista de requisitos de diseo. Diseadores e ingenieros son responsables, legalmente, si una persona se lesiona a causa de un error de diseo. EJ lector debe considerar cualquier uso previsible del dispositivo, y garantizar la seguridad de quienes lo operen o puedan acercarse a l.

Adems, es prioridad alcanzar un alto desempeo general. Ciertos conceptos de diseo pueden tener propiedades deseables que otros no tengan.

Los dems criterios deben reflejar las necesidades especiales de un determinado proyecto. La siguiente lista describe ejemplos de criterios posibles para la evaluacin del pequeo tractor.

C rite rio s de evaluacin

1. Seguridad (la seguridad relativa inherente antes que codo requisito mencionado)

2. Desempeo (el grado donde el concepto de diseo supera los requisitos)

3. Facilidad de manufactura

4. Facilidad de servicio o de reemplazo de componentes

5. Facilidad de operacin

6. Bajo costo inicial

7. Bajos costos de operacin y mantenimiento

8 . Pequeo tamao y peso ligero.

9. Silencioso y con poca vibracin; funcionamiento suave

10. Usar materiales y componentes de fcil compra

11. Uso prudente de partes de diseo nico y de componentes disponibles en el mercado

12. Apariencia atractiva y adecuada a la aplicacin

El diseo mecnico es el proceso de diseo o seleccin de componentes mecnicos para conjuntarlos y lograr una funcin deseada. Naturalmente, los elementos de mquinas deben ser com patibles, acoplarse bien entre s y funcionar en forma segura y eficiente. El diseador no slo debe considerar el desempeo dei elemento diseado, sino tambin los elementos con que debe nteraciuar.

Para ilustrar cmo debe integrarse el diseo de los elementos de mquina con un diseo mecnico mayor, observe el diseo de un reductor de velocidad para el pequeo tractor descrito en la seccin 1-4. Suponga que, para lograr la reduccin de velocidad, decide disear un tren de doble reduccin con engranes rectos. Entonces se especifican cuatro engranes, tres ejes, seis cojinetes y una caja, para contener los elementos individuales en relacin mutua adecuada, como se ve en la figura 1- 12.

Los elementos principales del reductor de velocidad en la figura 1-12 son:

1. El eje de entrada (eje 1) debe conectarse con la fuente de potencia, que es un motor de gasolina cuyo eje de salida gira a 2000 rpm. Debe usarse un acoplamiento flexible para minimizar las dificultades de alineacin.

2. El prim er par de engranes, A y B, provoca una reduecin de la velocidad en el eje in termedio (eje 2), proporciona] a la relacin del nmero de dientes en los engranes. Se moma los engranes B y C sobre el eje 2 y giran a la misma velocidad.

3. Para conectar el cubo de cada engrane y el eje sobre el cual est montado, se usa una cua para transmitir el par de torsin entre engrane y eje.

Seccin 1-5 Ejemplo de la integracin de los e lem entos de m quina en un diseo m ecnico 15

EngranesA yB del lipo doble reduccin

FIGURA 1-12 Diseo concepta] de un reductor de velocidad

4. El segundo par de engranes, C y D, reduce ms la velocidad del engrane D y del eje de salida (eje 3), a un intervalo de 290 a 295 rpm.

5. El eje de salida debe tener una catalina (que no se muestra). La transmisin de cadena se conecta, en ltimo trmino, a las ruedas de impulso del tractor.

6. Dos rodamientos de bolas soportan a cada uno de los tres ejes, para que sean estticamente determinados, y con ello permitir el anlisis de fuerzas y esfuerzos mediante los principios normales de la mecnica.

7. Los rodamientos se contienen en una caja fijada al armazn del tractor. Observe la manera de sujetar cada rodamiento, de tal manera que el anillo interno gire con el eje, mientras que el anillo externo se mantiene estacionario.

8. Se muestran sellos sobre los ejes de entrada y salida, para eviiar que los contaminantes penetren a la caja.

9. Otras piezas de la caja se muestran en forma esquemtica. En esta etapa del proceso de diseo, slo se sugieren los detalles de cmo se van a instalar, lubricar y alinear los elementos activos, para demostrar la factibilidad. Un proceso viable de armado seria el siguiente:

Se inicia al colocar los engranes, cuas, separadores y rodamientos en sus ejes respectivos.

A continuacin se introduce el eje 1 en el asiento de rodamiento, en el lado izquierdo de la coja.

* Se inserta el extremo izquierdo del eje 2 en su asiento de rodamiento, mientras seengranan al mismo tiempo los dientes de los engranes A y B.

Se instala el soporte central del rodamiento, para apoyar al rodamiento del lado derecho del eje I .

Se instala el eje 3, colocando su rodamiento izquierdo en el asiento del soporte centra] de rodamiento, mientras se engranan los engranes C y D

Se instala la tapa del lado derecho de la caja, mientras se colocan los dos rodamientos finales en sus asientos.

Se asegura con cuidado e l alineamiento de los ejes.

Se pone lubricante para engranes en la parte inferior de la caja

Captu lo 1 La naturaleza del diseo mecnico

Las figuras 9-34 a 9-36 del captulo 9 muestran tres ejemplos de transmisiones de doble reduccin comerciales, donde podr ver estos detalles.

El arreglo de tos engranes, la colocacin de los rodamientos en arabos lados de los engranes y la configuracin general de la caja tambin son decisiones de diseo. El proceso de diseo no puede continuar en forma racional hasta que se tomen esas decisiones. Observe que en el esquema de la figura 1-12 se comienza con la integracin de los elementos en un todo. Cuando se conceptualiza el diseo general, puede proceder ya el diserto de los elementos de mquina individuales en el reductor de velocidad. Cuando se describa cada elemento, se repasan brevemente los captulos relevantes en el libra. La pane 13 de este libro, que incluye los caprulos 7 al 15, contiene detalles de los elementos del reductor. Debe reconocer que ya se han tomado varias decisiones de diseo, al trazar un esquema como stos. Primero, el lector escogi engranes rectos y no helicoidales, de gusano y sinfn o cnicos. De hecho, hay otras clases de reductores de bandas, de cadenas o muchos otros que pueden ser adecuados.

Engranes

Para los pares de engranes, el lector debe especificar el nmero de dientes en cada engrane, el paso (tamao) de los dientes, los dimetros de paso, el ancho del diente y el material y su tratamiento trmico. Esias especificaciones dependen de consideraciones de resistencia y desgaste de los dientes del engrane y de los requisitos del movimiento (cinemtica). Tambin se debe considerar que los engranes deben montarse sobre ejes en forma correcta, ya que la capacidad de transmisin de par de torsin de los engranes a ejes (por ejemplo, a travs de cuas) sea adecuada y que el diseo del eje sea seguro.

Ejes

Una vez diseados los pares de engranes, pasar a considerar el diseo del eje (captulo 12). El eje est cargado a flexin y a torsin, por las fuerzas que actan en los dientes de los engranes. Por consiguiente, en el diseo se deben considerar la resistencia y rigidez, y debe permitir el montaje de los engranes y los rodamientos. Pueden usarse ejes de varios dimetros, para poder formar escalones contra los cuales asentar los engranes y los rodamientos. El eje podr tener cuneros (captulo 11) cortados en l. Los ejes de entrada y salida se prolongarn ms all de la caja, para permitir acoplarlos con el motor y el eje de impulso. Debe considerarse el tipo de acoplamiento, porque podra tener un efecto dramtico sobre el anlisis de esfuerzos en el eje (captulo 11). Los sellos en los ejes de entrada y de salida protegen a los componentes internos (captulo 11).

Cojinetes

Sigue el diseo de los cojinetes (captulo 14). Si se van a usar de contacto por rodillo, es probable que el lector seleccione rodamientos disponibles en el comercio, con el catlogo de un fabricante, en vez de disear uno solo. Primero se debe determinar la magnitud de las cargas sobre cada rodamiento, con el anlisis del eje y los diseos de engranes. Tambin se deben considerar la velocidad de giro y una duracin razonable de los rodamientos, as como su compatibilidad con el eje donde se van a montar. Por ejemplo, con base en el anlisis del eje, el lector podra especificar el dimetro mnimo admisible en cada asiento de montaje del rodamiento, para garantizar valores seguros de esfuerzos. El rodamiento seleccionado para sostener determinada parte del eje debe, entonces, tener un dimetro interior no m enor que el dimetro seguro del eje. Naturalmente, ese rodamiento no debe ser mucho ms grande que lo necesario. Cuando se selecciona un rodamiento especfico, deben especificarse el dimetro del eje en su apoyo y las tolerancias admisibles, de acuerdo con las recomendaciones del fabricante, para obtener un funcionamiento y una expectativa de duracin adecuados.

Seccin 1-7 * Clculos de diseno 17

1 -6AYUDAS DE

CMPUTO EN ESTE LIBRO

1-7CLCULOS DE DISEO

cuas

Ahora pueden disearse las cuas y los cueros (captulo 11). El dimetro del eje en la cuna determina el tamao bsico de la misma (ancho y alto). El par de torsin que debe transferirse se usa en los clculos de resistencia, para especificar la longitud y el material de la cua. Una vez diseados los componentes activos, se puede comenzar con el diseo de la caja.

Caja

El proceso de diseo de la caja debe ser creativo y prctico. Qu se debe prever para montar con exactitud los rodamientos y transmitir con seguridad las cargas de los rodamientos por la caja, y a la estructura donde se instala el reductor de velocidad? Cmo se armarn los diversos elementos en la caja? Cmo se lubricarn los engranes y los rodamientos? Qu material debe usarse en la caja? Debe la caja ser colada, de construccin soldada o un conjunto de piezas maquinadas?

El proceso de diseo descrito aqu implica que el diseo se puede e laboraren forma se- cuencial: de los engranes a los ejes, a los rodamientos, a las cuas, a los acoplamientos y, por ltimo, a la caja. Sin embargo, sera inusual recorrer esie cam ino lgico slo una vez en determinado diseo. Lo usual es que el diseador tenga que regresar' muchas veces para ajustar el diseo de ciertos componentes, afectados por cambios en otros componentes. Este proceso, llamado iteracin, contina hasta llegar a un diseo general aceptable. Con frecuencia se construyen y prueban prototipos durante la iteracin.

El captulo 15 muestra la forma en que todos los elementos de la mquina se integran en una unidad.

A causa de la necesidad normal de efectuar varias iteraciones, y ya que muchos de los procedimientos de diseo requieren clculos largos y complejos, con frecuencia es til contar con hojas de clculo, programas de anlisis matemtico, programas de cmputo o calculadoras programables, para desarrollar el anlisis del diseo Las hojas de clculo o programas interactivos le permiten al lecior tomar decisiones durante el proceso de diseo. De esta forma, pueden efectuarse muchas pruebas en corto tiempo, y pueden investigarse los efectos del cam bio de diversos parmetros. En este libro se usarn con frecuencia hojas de clculo de Microsoft Excel, como ejemplos de diseo y clculos de anlisis asistidos por computadora.

Al estudiar este libro, y al progresar en su carrera de diseador, deber hacer varios clculos de diseo. Es importante anotar los clculos en forma pulcra, completa y ordenada. Deber explicar a otros cmo atac el diseo, qu datos us y qu hiptesis y juicios plante. Algunas veces alguien ms revisar su trabajo cuando ya no est usted para comentarlo o contestar preguntas. Tambin, con frecuencia es til tener un registro exacto de sus clculos de diseo, si es probable que ese diseo tenga cambios. En todos estos casos se le va a pedir que comunique su diseo a otros, por escrito y con figuras.

Para preparar un registro de diseo cuidadoso, en general deber tomar en cuenta lo siguiente:

1. Identificar el elemento de mquina que ser diseado y la naturaleza del clculo de diseo.

2. Trazar un esquema del elemento, que muestre todas las propiedades que afecten el funcionamiento o el anlisis de esfuerzos.

3. M ostrar en un esquema las fuerzas que actan sobre el elemento (el diagrama de cuerpo libre) y irazar otros dibujos para aclarar el caso fsico real.

Captulo 1 La naturaleza del d iseo mecnico

1-8TAMAOS BSICOS

PREFERIDOS, ROSCAS

DE TORNILLOS Y PERFILES ESTNDAR

4. Identificar el tipo de anlisis a efectuar, tal como el esfuerzo por flexin, deflexin de una viga, pandeo de una columna, entre otros.

5. Enlistar todos los datos y las hiptesis.

6. Escribir las frmulas a usar en forma de smbolos, e indicar con claridad los valores y las unidades de las variables que intervienen. Si una frmula potencial no se conoce

bien, en su trabajo, cite la fuente. La persona podr consultarla para evaluar lo adecuado de la frmula.

7. Resolver cada frmula para la variable deseada.

8. Insertar dalos, comprobar unidades y desarrollar los clculos.

9. Juzgar lo adecuado del resultado.

10. Si el resultado no es razonable, cambiar las decisiones del diseo y repetir el clculo. Quiz sea ms adecuada una geometra o un material distintos.

11. Cuando se ha llegado a un resultado razonable y satisfactorio, especifique los valores definitivos de todos los parmetros importantes en el diseo, usando tamaos normalizados, dimensiones cmodas, materiales que se consigan con facilidad, entre otros.

La figura 1-13 muestra un ejemplo de un clculo de diseo. Debe disearse una viga para salvar un pozo de 60 pulg y soportar un engrane grande de 2,050 libras (Ib). En el diseo se supone que va a usarse una viga con seccin transversal rectangular. Pueden utilizarse otras formas prcticas. El objetivo es calcular las dimensiones necesarias para la seccin transversal, considerando tanto esfuerzos como deflexiones. Tambin se ha seleccionado un material para la vtga. Consulte el captulo 3, que contiene un repaso de los esfuerzos debidos a la flexin.

Una de las responsabilidades de un diseador es especificar las dimensiones finales de los elementos que soportan cargas. Despus de completar los anlisis de esfuerzo y deformacin, el diseador conocer los valores mnimos aceptables de las dimensiones, los cuales asegurarn que el elemento cumpla con los requisitos del funcionamiento. Entonces, de forma usual el diseador especifica que las dimensiones finales sean uniformadas, o tengan valores adecuados que faciliten la compra de materiales y la manufactura de las piezas. En esta seccin se presentan algunas guas para ayudaren esas decisiones y especificaciones.

Tamaos bsicos preferidos

La cabla A2-I presenta los tamaos bsicos preferidos en fracciones de pulgada, decimales de pulgada y mtricos.1 En la pane final de su diseo, el lector elige uno de esos tamaos preferidos. En la figura 1-13 se ve un ejemplo, al final del clculo. Naturalmente, el lector podr especificar otro (amao si hay alguna razn funcional viable.

Roscas de tornillos estadounidenses normalizadas

Los lomillos y los elementos de mquina con uniones roscadas se fabrican mediante dimensiones normalizadas para asegurar que las piezas sean intercambiables, y para permitir una fabricacin cmoda, con mquinas y herramental normalizados. La tabla A2-2 muestra las dimensiones de las Roscas Unificadas Estadounidenses Estndar. A los tamaos menores que 1/4 de pulga^

' En este libro, algunas referencias a labias y figuras tienen la letras junco con sus nmeros; esas tablas y figuras estn en los apndices, en la parte posterior del libro. Por ejemplo, la labia A2-1 es la primer tabla del ipndicc la figura A 15-4 es la cuarta figura del apndice 15. Esas tablas y figuras se identifican con claridad en las leyendas de los apndices.

Seccin 1-8 Tamaos bsicos preteridos, roscas de lom illos y perfiles estndar 19

DISEO DE UNA BARRA PARA SOPORTAR UN EW G K ftW EN UN POZO PE REMOJO

LA PARRA PESE TCNER 6 0 PULG DE LONGrOIP ENTRE APOYOS PESO DEL ENGRANE 2 0 5 0 LBLOS COLGADORES DEBEN ESTAR SEPARADOS 24 PULGADAS

LA BARRA ES UNA VIGA A FLEXIN

20 Captulo 1 La naturaleza del d iseo mecnico

En las tablas aparecen el dimetro bsico mayor (D), el nmero de tolos o roscas po* pulgada (n) y el rea del esfuerzo de tensin (A,), calculada con

Esfuerzo de tensin, rea

para roseas

Cuando un elemento roscado est sujeto a tensin directa, el rea del esfuerzo de tensin es la que se usa para calcular el esfuerzo promedio a la tensin. Se basa en un rea circular calculada con el promedio de! dimetro de paso y el dimetro menor del elemento roscado.

A , = 0.7854 (d -0.9743^

(1-1)

Roscas de tomillos mtricas

La tabla A2-3 muestra dimensiones similares para las roscas de tomillos mtricas. La designacin estandarizada de las roscas mtricas tiene la forma

MIO X 1.5

donde M representa mtricaEl nmero que sigue es el dimetro mayor bsico D, en mm El ltimo nmero es el paso P, entre roscas adyacentes, en mm

El rea de esfuerzo de tensin para las roscas mtricas se calcula con la siguiente ecuacin, y se basa en un dimetro poco diferente (vea la referencia 11).

A, = 0 .7854 (D - 0 .9382F)2 (1-2)

As, la especificacin anterior indicara una rosca m trica con un dim etro bsico mayor D - 10.0 mm y un paso de P = 1,5 mm. Observe que paso = 1 n. El rea del esfuerzo de tensin de esta rosca es 58.0 mm2.

Perfiles estructurales de acero

Los fabricantes de acero suministran un gran conjunto de perfiles estructurales estandarizados, eficientes en el uso del material y fciles de especificar e instalar en estructuras de construccin o de armazones de maquinaria. Comprenden, como se muestra en la tabla 1-1, los ngulos estndar (perfiles L), canales (perfiles C), vigas de patn ancho (perfiles W), vigas estndar estadounidenses (perfiles S), tubo estructural y tubera. Observe que los perfiles W y S se nombran con frecuencia en las conversaciones generales como vigas l, porque la forma del corte transversal se parece a la 1 mayscula.

El apndice 16 presenta las propiedades geomtricas de algunos perfiles estructurales de acero, que abarcan una gran variedad de tamaos. Note que bay muchos tamaos disponibles, como los de la referencia 2. Las tablas del apndice 16 proporcionan datos del rea de la seccin transversal (A), el peso por pie de longitud, la ubicacin del centroide de la seccin transversal, su momento de inercia (/), su mdulo de seccin (5) y su radio de gixo (r). Los valores

de / y de S son importantes para analizar y disear vigas. Para el anlisis de las columnas se necesitan / y r.

Los materiales utilizados en los perfiles estructurales se conocen como aceros estructurales, y sus caractersticas y propiedades se describen con ms detalle en el captulo 2. Consulte los datos tpicos de resistencia en el apndice 7. Los perfiles W laminados se consiguen con mayor facilidad en aceros ASTM A992, A572 Grado 50 o A36. Los perfiles S y C se hacen en

Seccin 1-8 Tam aos bsicos preferidos, ro scas de tornillos y perfiles e s tn d ar

TABLA 1-1 D esignaciones de los perfiles de acero y de alum inio

21

Nombre del perfil Perfil Smbolo Ejemplo de designacin y tabla del apndice

ngulo L4 X 3 X i Tabla A I6-I

Cana] C 15 x 50 Tabla A 16-2

Viga de patn ancho W W 14 X 43 Tabla A 16-3

Viga estndar estadounidense S10 X 35 Tabla A 16-4

Tubo estructural - rectangular 4 X 4 X j Tabla A 16-5

Tubo estructural - cuadrado6 X 4 X |

Tabla A 16-5

Tiibo4 pulg peso estndar

4 pulg cdula 40 Tabla A 16-6

Canal asociacin del aluminio t C4 X 1.738 Tabla A 17-1

Viga I asociacin del aluminio18 x 6.181

Tabla A 17-2

forma tpica con ASTM A572 Grado 50 o A36. Se debe especificar ASTM A36 para ngulos y placa de acero. Los perfiles estructurales huecos (HSS) se consiguen con mayor facilidad en ASTM A500.

ngulos de acero (perfiles L)

La tabla A 16-1 muestra esquemas de los perfiles tpicas de ngulos de acero con lados iguales o desiguales. Se llaman perfiles L por la apariencia de la seccin transversal; con frecuencia los ngulos se usan como elementos a la tensin en armaduras y torres, miembros de contorno para estructuras de mquinas, dinteles sobre ventanas y puertas en construccin, refuerzos para placas grandes en cajas y vigas, mnsulas y soportes de tipo com isa para equipo. Algunas referencias llaman a estos perfiles hierro ngulo". La especificacin normalizada tiene la siguiente forma, para un tamao de ejemplo:

L4 X 3 X j

donde L indica el perfil angular L4 es la longitud del lado mayor 3 es la longitud det lado menor 2 es el espesor de los lados Estas dimensiones estn en pulgadas.

Canales estadounidenses estndar (perfiles C)

En la tabla A 16-2 se ven la apariencia y las propiedades geomtricas de los canales. Esos canales se usan en aplicaciones parecidas a las de los ngulos. El alma plana y los dos patines forman un perfil generalmente ms rgido que el de los ngulos.

El esquema que aparece arriba de la labia muestra que los canales tienen patines inclinadas y almas con espesor constante. La pendiente del patn es aproximadamente dos pulgadasen 12 pulgadas, y eso dificulta la fijacin de otros miembros a los patines. Existen roldanas inclinadas especiales disponibles para facilitar la fijacin. Observe la designacin de los ejes x y y en el esquema, que se definen con el alma del canal vertical, con lo que se obtiene el perfil caracterstico C. Esa nomenclatura es muy importante cuando los canales se utilizan como vigas o columnas. El eje i se localiza en el eje horizontal de simetra, mientras que la dimensin x, que aparece en la tabla, ubica al eje y en relacin con la espalda del alma. El centroide est en la interseccin de los ejes i y y.

La designacin estndar parn los canales es

C15 x 50

donde C indica que es un perfil estndar C15 es el peralte nominal (y real), en pulgadas, con el alma vertical50 es el peso por unidad de longitud, en Ib/pie

Captulo 1 La naturaleza del d iseo m ecnico

Perfiles de patn ancho (perfiles W)

Vea la tabla A 16-3, que ilustra el perfil de uso ms comn en las vigas. Los perfiles W tienen almas relativamente delgadas y patines planos algo ms gruesos, con espesor constante. La mayor parte del rea de la seccin transversal est en los patines, lo ms alejada del eje centroidal

Seccin 1-8 Tamaos bsicos preferidos, roscas de tornillos y perfiles estndar 23

horizontal (eje x), con lo cual el momento de inercia es muy grande para determinada canfidad de material Observe que las propiedades del momento de inercia y de mdulo de seccin son mucho mayores con respecto al eje x que con respecto al eje y. Por consiguiente, los perfiles W se usan principalmente en la orientacin que muestra el esquema de la tabla AI6-3. Tambin, esos perfiles son mejores cuando se usan en flexin pura, sin torcimiento, porque son bastante flexibles a la torsin.

La designacin estndar para los perfiles W suministra mucha informacin. Veamos el siguiente ejemplo:

W14 x 43

donde W indica que es un perfil W14 es el peralte nominal, en pulgadas43 es el peso por unidad de longitud, en Ib/pie.

El trmino peralte es la designacin estndar y se usa para indicar la altura vertical del corte transversal, cuando se coloca en la orientacin mostrada en la tabla A 16-3. Note que, de acuerdo con los datos en la tabla, con frecuencia el peralte real es disLinto del peralte nominal. Para la W14 X 43, el peralte real es 13.66 puig.

Vigas estadounidenses estndar (perfiles S)

La tabla A16-4 presenta las propiedades de los perfiles S. Gran parte de la descripcin de los perfiles W se aplica tambin a los perfiles S. Observe que, de nuevo, se incluye el peso por pie de longitud en la designacin, por ejemplo SIO x 35, el cual pesa 35 Ib/pie En la m ayor parte, aunque no en todos los perfiles S, el peralte real es igual al peralte nominal. Los patines de los perfiles S son inclinados, con una pendiente aproximada de 2 pulgadas en 12 pulgadas, parecida a los de los perfiles C Los ejes x y y se definen como se indica, con el alma vertical

Con frecuencia se prefiere los perfiles de patn ancho (perfiles W) a los perfiles S. porquesus patines son relativamente anchos, porque tienen espesor constante en sus patines y porque laspropiedades de las secciones son, en general, mejores para determinado peso y peralte.

Perfiles estructurales huecos (HSS, cuadrados y rectangulares)

Vea la tabla A-16-5, con el aspecto y las propiedades de los perfiles estructurales huecos (HSS, de holtow structural shape). Esos perfiles suelen conformarse a partir de lmina plana y soldada longitudinalmente. Las propiedades de las secciones consideran los radios de las esquinas. Observe los esquemas que muestran los ejes x y y. La designacin estandarizada es

6 X 4 X i

donde 6 es el peralte del lado mayor, en pulgadas 4 es el ancho del lado menor, en pulgadas

es el espesor de pared, en pulgadas.

Las tubos laminado, cuadrado y rectangular, son muy tiles en las estructuras de maquinaria porque rienen buenas propiedades transversales para elementos cargados a la flexin como vigas, y para la carga de torsin, porque la seccin transversal es cerrada. Los lados planos facilitan con frecuencia la unin de los miembros entre s, o la fijacin del equipo a ellos. Algunos marcos se sueldan y forman una unidad que funciona como marco espacial rgido. El tubo cuadrado proporciona una seccin eficiente para las columnas.

24

Tubo

C aptulo 1 La naturaleza del d iseo mee

1-9SISTEMAS

OE UNIDADES

Los perfiles circulares huecos (tubos) son muy eficientes cuando se usan como vigas, elem en- j tos a torsin y columnas La distribucin uniforme del material, alejado del centro, aumenta el momento de inercia para determ inada cantidad de m aterial, y proporciona propiedades uniformes al tubo, con respecto a todos los ejes que pasan por el centro de la seccin transversal. Su seccin transversal cerrada proporciona alta resistencia y rigidez a la torsin y a la flexin.

La labia A16-6 contiene las propiedades del tubo de acero soldado y sin costura, de acero fraguado cdula 40, Estndar Estadounidense Nacional. Esta clase de tubo se usa con frecuencia para conducir agua y otros fluidos, pero tambin funciona bien en aplicaciones estructurales. Observe que los dimetros exterior e interior reales son algo distintos al tamao nominal, excepto en los tamaos muy grandes. Al tubo para construccin se le llama con frecuencia tubo pesado estndar, y tiene las mismas dimensiones que el fubo de cdula 40 para tamaos de 1/2 a 10 pulgadas. Hay otras cdulas y pesos de tubo disponibles con espesores de pared mayores y menores.

Existen adems otras secciones circulares que se consiguen con frecuencia, conocidas tambin como tubera. Estas secciones se consiguen en acero al carbn, acero aleado, acero inoxidable, aluminio, cobre, latn, titanio y otros m ateriales. Vea las referencias 1 .2 ,5 y 9, para una variedad de tipos y tamaos de tubos y tuberas.

Canales y vigas I estndar de la Asociacin de Aluminio

Las tablas A17-1 y A17-2 muestran las dimensiones y las propiedades de las secciones de canales y vigas I, desarrolladas por la Asociacin del Aluminio (vase la referencia 1). Son perfiles eximidos con espesores uniformes de almas y patines, con generosos radios en sus rincones. Las proporciones de esos perfiles son algo diferentes de las de acero laminado descrita antes. La forma extruida es conveniente para tener un uso eficiente del material y en la unin de los elem entos. En este libro se manejarn las siguientes formas para designar los perfiles de aluminio:

donde C o I indica la forma bsica del perfil4 u 8 indican el peralte del perfil, cuando su orientacin es la que se muestra 1.738 o 6.181 indican el peso por unidad de longitud, en Ib/pie

En este libro se efectuarn los clculos mediante el sistema ingls (pulgada-libra-segundo) o en el Sistema Internacional (SI). En la tabla 1-2 se muestran las unidades tpicas a usar en el estudio del diseo de mquin

diseño de elementos de máquinas - robert l. mott(10)

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