parcial1-maquinas

8/20/2019 Parcial1-Maquinas

1/88

DISEÑO Y DESARROLLO DE MÁQUINAS

José Manuel Franco Nava, PhD.


2/88

Introducción a las metodologías de diseño mecánico

1.1 Definición de máquina mecatrónica y sus principaleselementos.

1.2 Diseño de ingeniería: convencional, concurrente y asistidopor computadora.

1.3 Procesos de diseño.1.4 Metodologías de diseño.

1.5 Impacto ecológico y social.


3/88

Introducción a las metodologías de diseñomecánico

1.1 Definición de máquina mecatrónica y sus principaleselementos.

Conjunto de elementos / componentes para satisfacer unanecesidad.

Integra técnicas y principios científicos de:MecánicaEléctricaElectrónica


4/88

Diseño

EsbozarTrazar ó planear

Acción ó trabajo.para realizar, inventar, idear

Es la transformación de conceptos e ideas en maquinariaútil.

Máquina:

Es una combinación de mecanismos y de otroscomponentes que transforma, transmite o empleaenergía, carga o movimiento para un propósitoespecífico.


5/88

Diseño

Formular un plan para satisfacer una necesidad específica o resolverun problema.

El proceso requiere innovación, iteración, y toma de decisiones.

Implica comunicación.

Si el plan resulta en la generación física de un producto, éste debeser:

◦ Funcional◦

Seguro◦ Confiable◦ Competitivo◦ Útil◦ Manufacturable◦ Comercializable


6/88

Diseño en Ingeniería

El diseño es una actividad de trabajo multidisciplinarlo.

El diseño en ingeniería mecánica involucra todas las disciplinas de laingeniería mecánica.

Ejemplo:◦ Chumacera lubricada:

flujo de fluidos,transferencia de calor,fricción,

transporte de energía,selección de materiales,tratamientos termo-mecánicos, entre otros.


7/88


8/88

Diseño

Diseñador:Creatividad, invención.Habilidad para comunicarseHabilidad para resolver problemas.

Herramientas de la Ingeniería

Plan / Programa

PRODUCTO


9/88

Diseño

En ingeniería se abordan temas de:

AnálisisSignifica:

DescomponerSeparar

Desorganizar en sus partes constitutivas.Requiere:

Comprensión de técnicas matemáticas.Física fundamental de la función del sistema.

SíntesisSignifica:

OrganizarIntegrar

Primer paso encualquier ejercicio dediseño en ingeniería


10/88

Diseño Convencional (OTW)Definición de la necesidad del producto

Concepto original

Modelos físicos y analíticos

Análisis de diseño

Prueba de prototipo

Evaluación

Diseño revisado

Evaluación final

Dibujos para producción

Evaluación de materiales, seleccióndel proceso y del equipo, diseño y

construcción de herramientas

Manufactura

Diseño conceptual


11/88

Diseño Concurrente

Análisis de mercado

Especificación

Diseño de detalle

Venta

Manufactura

Concepto de diseño

• Las diferentes disciplinas seinvolucran simultáneamente.

• Se minimizan esfuerzosredundantes.

• Se desarrollan más rápidoproductos de mayor calidad.

• Repeticiones con ciclosmenores menosesfuerzo, gastos, tiempo

desperdiciado.


12/88

Fases del Proceso de Diseño

Iterativo por naturaleza.

Requiere una estimacióninicial, seguido por unrefinamiento continuo.

Ref:Shigley’s Mechanical Engineering Design


13/88

Consideraciones de Diseño

Consideraciones se involucran de manera directa algunascaracterísticas que influyen el diseño.

Ejemplos de características que influyen el diseño:

1. Funcionalidad

2. Resistencia/ Esfuerzo

3. Distorsión/deflexión/rigidez4. Desgaste

5. Corrosión

6. Seguridad

7. Confiabilidad8. Manufacturabilidad

9. Utilidad

10.Costo

11.Fricción

12.Peso

13.Vida

14.Propiedades térmicas15.Forma

16.Volumen

17.Mantenimiento

18.Lubricación19.Ruido

20.Control

21.Capacidad de reciclado/rec. recursos

22.Mantenimiento


14/88

Herramientas Computationales

Computer-Aided Engineering (CAE)◦

Any use of the computer and software to aid in theengineering process◦ Includes

Computer-Aided Design (CAD)

Drafting, 3-D solid modeling, etc.Computer-Aided Manufacturing (CAM)

CNC toolpath, rapid prototyping, etc.

Engineering analysis and simulation

Finite element, boundary element, fluid flow, dynamic analysis,modal analysis, motion, etc.

Math solversSpreadsheet, procedural programming language, equation solver, etc.


15/88

Normas y Códigos

Norma (Standard)◦

Un conjunto de especificaciones para partes, materiales, o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad, eficiencia yuna calidad especificada.

◦ Limita que exista un número excesivo de variaciones.

Código (Code)◦ Un conjunto de especificaciones para el análisis, diseño,

manufactura, y construcción de un producto.◦ Permite lograr un grado específico de seguridad, eficiencia y

desempeño o calidad.◦ No implica seguridad absoluta.Varias organizaciones establecen y publican normas (standards)y códigos (codes) para industrias en general y/o industrias de

carácter crítico ó estratégico.


16/88

Normas y Códigos

Normas y Códigos de interés para los ingenieros mecánicos


17/88

Factor de Diseño

Comúnmente utilizado cuando no están disponibles datos estadísticos.

Como el esfuerzo puede no variar en forma lineal con la carga, es más comúnexpresar el factor de diseño en términos del esfuerzo y una resistenciarelevante.

S= resistencia del material

Todos los modos de pérdida de función deben analizarse, y el modo con elmenor factor de diseño es el que gobierna el diseño.

Los términos de esfuerzo y resistencia deben ser del mismo tipo y tener lasmismas unidades.

esfuerzo y resistencia deben aplicarse a la misma ubicación crítica de la parte.

El factor de seguridad es el factor de diseño realizado para el diseño final,incluyendo al tamaño siguiente normalizado o componente disponible.


18/88

Ejemplo

Solución

Una varilla con sección trasversal de área A y cargada en tensión con unacarga axial P de 2000 lbf soporta un esfuerzo σ =P/A. Use una resistenciade material de 24 kpsi y un factor de diseño de 3.0 para determinar eldiámetro mínimo de una varilla circular sólida. Use la Tabla A-17,seleccione un diámetro fraccionario preferido y determine el factor deseguridad de la varilla.


19/88

Nota: 9/16 = 0.5625


20/88

Reference: Shigley’s Mechanical Engineering Design


21/88

De la Tabla A-17 el siguiente tamaño es 5/8 in = 0.625 in.

= 0.625 in

Así cuando nd se sustituye con n el factor de diseño n es:


22/88

Confiabilidad

Confiabilidad (Reliability) , R – La medida estadística de la probabilidad para que un elemento mecánico no falle durante suuso o servicio.

0 ≥ R ≤ 1

Probabilidad de falla (Probability of Failure) , p f – el número deinstancias de falla del número total de instancias posibles.

Ejemplo: La falla de 6 partes, de cada 1000 partes fabricadas, laconfiabilidad es:

o bien 99.4 %


23/88

Confiabilidad

Sistemas en Serie – Un sistema que falla si cualquiera de loscomponentes falla.La confiabilidad global de un sistema en serie es el producto delas confiabilidades de los componentes individuales.

Ejemplo: Una flecha con dos rodamientos que tienenconfiabilidades del 95% y 98% tiene una confiabilidad global

de: R = R1 R2 = 0.95 (0.98) = 0.93 o bien 93%


24/88




25/88

Flechas

2.0 Flechas

2.1 Límite de resistencia a la fatiga.

2.2 Esfuerzos en ejes.

2.3 Criterios de falla.2.4 Concentración de esfuerzo


26/88

Límite de Resistencia a la Fatiga

Para aceros se ha determinado experimentalmente estarrelacionado con la resistencia última.

Ref. Fig. 6- 17, Shigley’s Mechanical Engineering Design


27/88

Límite de Resistencia a la Fatiga

Para aceros, el límite de resistencia, S' e, se estima como:


28/88

Criterios de falla

Ref. Fig. 6.27. Shigley’s Mechanical EngineeringDesign


29/88

Efectos del Factor Reducido, k f , de k t

Recordar considerar otros factores posibles:◦

Esfuerzos residuales◦ Características del trabajo en frío◦ Endurecimiento superficial◦ Corrosión◦ Acondicionamiento de la superficie, por ejemplo chapado

electrolítico y recubrimientos metálicos◦ Frecuencia cíclicaDatos disponibles.Puede requerir experimentación e investigación.


30/88


31/88

Sensibilidad de Muesca

Obtener q para cargas axiales y de flexión de la Fig. 6 – 20.

Después obtener K f de la Ec. K f = 1 + q( K t –

1)

Ref. Shigley’s Mechanical Engineering Design

Fig. 6 – 20


32/88


Obtener q s de cargas torsionales de la Fig. 6 – 21.

Después obtener K fs de la Ec.: K fs = 1 + q s( K ts –

1) Notar que la Fig. 6 – 21 está actualizada en la 9 a edición delShigley´s.

Ref. Shigley’s MechanicalEngineering Design

Fig. 6 – 21


33/88


Alternativamente, se puede usar un ajuste de curvas para las Figs. 6 – 20y 6 – 21 para obtener la sensibilidad de muesca, o ir directamente a K f .

Flexión o axial:

Torsión:


34/88

Sensibilidad de Muesca para hierro colado

Los hierros colados generalmente cuentan con un gran númerode discontinuidades.Se recomienda utilizar q = 0.2 para hierros colados.

Aplicación del Factor de Concentración de Esfuerzo por


35/88

Aplicación del Factor de Concentración de Esfuerzo porFatiga

Utilizar K f como un multiplicador para incrementar el esfuerzonominal.Algunos diseñadores en ocasiones aplican 1/ K f como un factor

para reducir S e .Para vida infinita, cualquier método es equivalente, dado que

Para vida finita, incrementar el esfuerzo es más conservador.Decrementar S e aplica más para altos ciclos que para bajosciclos.

1 / f ee f

f

K S S n

K


36/88

REF: Shigley’s Mechanical Engineering Design


37/88




38/88

Flechas

2.5 Resistencia a la fatiga.

2.6 Factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga

Factores que modifican el límite de


39/88

Factores que modifican el límite deresistencia a la fatiga

El límite de resistencia a la fatigaS' e es preparado con muchocuidado y se ensaya bajo condiciones muy controladas

probetas.

Si se justifica,S e es obtenido de pruebas de elementos reales.

No es posible esperar que elS e iguale los valores que se hanobtenido en ensayos de laboratorio.

Cuando se realizan pruebas de elementos mecánicos, se utiliun conjunto de factores“ Marin factors” para ajustar el límite deresistencia a la fatiga.

Factores que modifican el límite de


40/88

Factores que modifican el límite deresistencia a la fatiga

S e = k a k b k c k d k e k f S´ e

Donde:

k a = Factor de modificación de la condición superficial. k b = Factor de modificación del tamaño. k c = Factor de modificación de la carga. k d = Factor de modificación de la temperatura. k e = Factor de modificación de confiabilidad. k f = Factor de modificación de efectos varios. S´ e = límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria.S e = límite de resistencia a la fatiga en la ubicación crítica en una

parte de máquina en la geometría y condición de operación(uso).

F d difi ió d l di ió fi i l


41/88

Factor de modificación de la condición superficialk a

Ref.: Shigley’s Mecanical Engineering Design

Los esfuerzos tienden a ser altos en la superficie.

El acabado superficial tiene un impacto sobre la iniciación de grietasregiones de concentraciones de esfuerzos.

Factor de modificación de la condición superficial es función de la resisteúltima. Más altas resistencias son más sensibles a superficies rugosas.


42/88

Factor de modificación del tamaño k b

Elementos grandes tienen mayor área superficial a altos niveles de esfuerzo.Es mayor la probabilidad de iniciación de grietas.

El factor de modificación del tamaño es obtenido de datos experimentalescon amplia dispersión.Para cargas de flexión y torsión, la tendencia de los datos del factor demodificación del tamaño esta dado por:

Aplica únicamente para secciones redondas rotativas.Para carga axial, no existe factor de modificación del tamaño, es decir k b = 1

f ó


43/88

Para elementos que no son redondos y rotatorios, se obtiene un diámetroequivalente o dimensión efectiva d e .

d e se obtiene igualando el volumen de material sometido a esfuerzo igual osuperior a 95% del esfuerzo máximo con el mismo volumen en la muestra dela viga rotativa.Cuando dos volúmenes se igualan, las longitudes se cancelan, por lo quesólo se consideran (igualan) las áreas.Para una sección redonda rotativa, el área de 95% de esfuerzo es el área deun anillo con un diámetro exteriord y un diámetro interior 0.95d .Designando el área de 95% de esfuerzo como A 0.95σ

Igualando el área de 95% de esfuerzo para otras condiciones a lasrepresentadas en la Ec (6-22) y resuelva para d como el diámetro equivalenterotativo.


F d difi ió d l ñ k


44/88

Para secciones redondas sólidas o huecas no rotativas,

Igualando la Ec. (6-23) a la Ec. (6-22) y resolviendo para el diámetroequivalente,

Similarmente, para una sección rectangular con dimensiones h x b ,se tiene A95σ = 0.05 hb. Igualando a la Ec (6 – 22),

Para otras secciones transversales de perfiles estructurales comunes,en la Tabla 6 – 3 se proporcionan las áreas A95σ


F d difi ió d l ñ k


45/88


Table 6 – 3Áreas A95s de

perfiles estructuralesno-rotativos


F t d difi ió d l g k


46/88

Factor de modificación de la carga k c

Toma en cuenta los cambios en el límite de resistencia a la fatiga paradiferentes tipos de cargas de fatiga.

Se usa únicamente para cargas un tipo de cargas.

Utilizar el método de cargas combinadas (Secc. 6-14).

Use el método de combinaciones de modos de carga (Sec. 6 – 14)cuando más de un tipo de carga está presente en el análisis.

K c = 1 flexiónK c = 0.85 axialK c = 0.59 torsión

Factor de modificación de la temperat rak


47/88

Factor de modificación de la temperaturak d

El límite de resistencia a la fatiga parece mantener la misma relacióncon la resistencia última para temperaturas elevadas como para

temperatura ambiente. Esta relación se resume en la Tabla 6 – 4.


Factor de modificación de la temperaturak


48/88

Si se conoce la resistencia última a la temperatura de operación,entonces se utiliza esa resistencia. Considere k d = 1 y proceda el

cálculo con antes.Si sólo se conoce la resistencia última a temperatura ambiente, utilicela Tabla 6 – 4 para estimar la resistencia última a la temperatura deoperación. Con tal resistencia considere k d = 1 y proceda el cálculocon antes.

Alternativamente, utilice la resistencia última a temperatura ambiente yaplique el factor de temperatura de la Tabla 6 – 4 al límite de resistenciaa la fatiga.

Un ajuste de curva polinomial de cuarto orden de los datos quegeneran la Tabla 6-4 puede usarse en lugar de la tabla.

Factor de modificación de la temperaturak d

Factor de modificación de confiabilidadk


49/88

Factor de modificación de confiabilidadk e

De la Fig. 6 – 17, S' e = 0.5 S ut es típico de los datos y representa unaconfiabilidad del 50%.

El factor de confiabilidad ajusta a otras confiabilidades.Sólo ajusta lo considerado en la Fig. 6 – 17. No implica confiabilidadglobal .


Fig. 6 – 17

Factor de modificación de confiabilidadk


50/88

Obtengak e para la confiabilidad deseada de la Tabla 6 – 5.

Ref. Shigley’s Mechanical Engineering Design Tabla 6 – 5

Factor de modificación de confiabilidadk e

Factor de modificación de efectos varios k


51/88

Factor de modificación de efectos varios. k f

Recuerde considerar otros factores.◦ Esfuerzos residuales◦ Características direccionales por procesos de laminado, forja

(trabajo en frío)◦ Endurecimiento superficial◦

Corrosión◦ Acondicionamiento de la superficie, por ejemplo:

recubrimiento electrolítico y metalizado por aspersión.◦ Frecuencia cíclica.◦

Corrosión por frotamiento.Limitación de datos disponibles.Puede requerir investigación o pruebas.

Problema 1


52/88

Problema 1

Una flecha de acero sometida a flexión tiene una sección de 260 mm dediámetro y cambia a un diámetro de 285 mm con un radio de 25 mm. Elmaterial del eje tiene una resistencia última a la tensión de 470 MPa.a) Obtenga el factor teórico de concentración de esfuerzo kt (Usando laFig A-15-9). b) Calcule el factor de tamaño de Marin K b si el eje se emplea en: b.1) modo rotativo (usando la Ec. 6-20).

b.2) modo no rotativo (usando la Tabla 6-3 y la Ec 6-20).c) Obtenga el valor medio del factor de carga (Usando la Ec 626).d) Considerando que la flecha operará a una temperatura de 232 °C,estime el factor de modificación del la temperatura de Marin y (Se)232° yque el límite de resistencia a la fatiga a temperatura ambiente medianteensayo es (S´e)70 = 268.9 MPa. Use la Ec. 6-27 y la relación:kd=(Se)232°/ (S´e)70.

Problema 2


53/88

Problema 2

El rotor de una máquina está sujeto a diversas cargas, se requieredeterminar el diámetro de la flecha en donde se tiene un cambio dediámetro en donde el momento flexionante es de 3,651 lbf-pulg y un parde torsión de 3,240 lbf-pulg. El momento flexionante medio (Mm) esigual 0.0 y el par de torsión alternante (Ta) es igual a 0.0. Determine parauna primera estimación:a) Factor de concentración de esfuerzo kt para un filete de hombre bienredondeado (r/d)=0.1 usando la Tabla 7-1. b) Factor de la condición superficial de Marin (ka) para una superficiemaquinada, usando la Ec 6-19.c) Considere un factor de tamaño (kb) igual a 0.9, un factor de carga kaigual a 1, un factor de modificación de temperatura (kd) igual a 1 y unfactor de confiabilidad (ke) igual a 1, para la estimación del límite deresistencia a la fatiga (Se).d) Si el acero a utilizar es ASTM 4340 TyR con Sut=290 ksi (kpsi),utilice el criterio ED-Goodman de la Ec.7-8 para determinar el diámetro pequeño de la flecha considerando Mm=Ta=0.0


54/88



Bandas


55/88

Bandas

2.7 Descripción de tipos, usos, configuraciones, materiales de

bandas y poleas.2.8 Transmisión de banda plana o redonda.

Descripción de tipos, usos, configuraciones,


56/88

materiales de bandas y poleas.

TiposUsosMateriales

Características


57/88

Características

Table 17 – 1

Geometría Banda-Plana Banda abierta


58/88

Geometría Banda-Plana_Banda abierta

Fig.17 – 1a

L= longitud de la banda

Geometría Banda-Plana Banda cruzada


59/88

Geometría Banda-Plana_Banda cruzada

Fig.17 – 1b

L= longitud de la banda

Bandas Reversibles


60/88

Bandas Reversibles

Fig.17 – 2


61/88

Banda plana Cambio sin embrague


62/88

Banda plana. Cambio sin embrague

Fig.17 – 4

ImpulsadaPolea libre

Horquilla dedesplazamiento

Impulsor


63/88

Diag. de cuerpo libre de un elemento infinitesimal de


64/88

banda plana

Fig.17 – 6


65/88

Análisis- banda plana


66/88

á s s ba da p a a

F en θ =0 es igual a C implica que A= F2 – mr 2ω 2

Tensión debida a fuerza centrífuga


67/88

g

b y t en pulgadas

Fuerzas y torques en una polea


68/88

y q p

Fig.17 – 7

Fi = tensión inicial

Fc = Tensión circunferencial bebida a la fza. centrífuga Δ F/2= tensión debida al par de torsión transmitido T

d = diámetro de la polea

Tensión Inicial


69/88

Tensiones en bandas planas


70/88

p

Tensión de la Banda vs. Tensión Inicial


71/88

Fig.17 – 8Ref. Shigley’s Mechanical Engineering Design

Potencia Transmitida (hp)


72/88

( p)

Notas:Los fabricantes proporcionan especificaciones para susbandas, que incluyen la tensión permisible Fa y expresan latensión en unidades de fuerza por ancho unitario.

Las bandas duran varios años


73/88


74/88

Factor de Corrección para Polea C P para Bandas Planas


75/88

Referencia. Shigley’s Mechanical Engineering Design

Pasos para el Análisis de Bandas Planas


76/88

1. Calcular exp(f Φ ) de la geometría y de la fricción de la transmisión de banda.

2. A partir de la geometría y velocidad de la banda, calcular Fc.3. Calcular el par de torsión necesario:

T=[63,025 Hnom Ks nd]/n4. A partir de l par de torsión T se conoce: (F1)a-F2=2T/D.

5. Determinar F2 a partir de (F1)a-[(F1)a-F2]=F26. Calcular la tensión inicial necesaria Fi a partir de :

Fi = [[(F1)a-F2]/2]-Fc7. Se verifica el desarrollo de la fricción f ´< f. Donde

f´=(1/Φ )ln[(F1)a-Fc)/F2-Fc)]

Ha= Hnom*Ks*nd potencia permisible8. Se calcula el factor de seguridad:

nfs= H/[Hnom*Ks]

Propiedades de algunos materiales de bandas planas yredondas


77/88

redondas

Referencia Shigley’s Mechanical Engineering Design Tabla 17 – 2

Tamaños Mínimos de Poleas para Bandas Planas yRedondas de Uretano


78/88

Redondas de Uretano

Referencia: Shigley’s Mechanical Engineering Design Table 17 – 3

Diámetros de poleas en la Tabla 17-3 son en pulgadas.

Alturas de Coronamiento y Diámetros ISO de PoleasPara Bandas Planas


79/88

Para Bandas Planas

Referencias: Shigley’s Mechanical Engineering Design Tabla 17 – 5

Ejemplo


80/88

Una banda de poliamida A-3 de 6 pulgadas de ancho se usa para transmitir 15hp bajo condiciones de impacto ligero donde Ks=1.25 y se conoce que unfactor de seguridad adecuado es igual o mayor que 1.1. Los ejes de las poleas

son paralelos y se encuentran en el plano horizontal. La distancia entre los ejesde 8 pies. La polea motriz (impulsora) es de 6 pulgadas y gira a 1750 rpm, detal modo que el lado flojo se localiza arriba. La polea impulsada (conducida)tiene un diámetro de 18 pulgadas. El factor de seguridad es para exigencias sincuantificar.

Ejemplo


81/88


82/88

Tabla 17-2


83/88

La diferencia de tensiones (F 1)a – F2 , necesaria para transmitir el torque T es:

De la Tabla 17-2 F a=100 lbf. Para bandas de piliamida Cv=1, y de la Tabla 17-4Cp=0.7. Así, la tensión máxima permisible (F 1)a es:

Entonces:


84/88

Tabla 17-2 f=0.8

La combinación de tensiones (F 1)a , F 2, Fi transmitirá la potencia de diseño:

Ha=Hnom Ks nd Ha=15(1.25)(1.1)= 20.6 hp

Calculando/verificando F1: F1= [H*33,000 / V] +F2

La fricción se verifica al resolver f´:

Puesto que f´


85/88

La tensión inicial es la clave para el funcionamiento propuesto de unabanda plana.

Existen procedimientos para controlar la tensión inicial:

Ladotenso

Polea guíacon peso

Montaje articuladoPolea con peso.


86/88

Calculando la caída correspondiente a la tensión inicial para ejemplo anterior

in F

w Ld

i

14.0)6.270(2

393.0)8(32

3 22

i F

w Ld

2

3 2

Cálculo de la caída.

d = caída [pulgadas]L= distancia entre centros [pies]

W = peso por pie de la banda [lbf/pie]

Fi = tensión inicial [lbf]

F1Fi

d

L

Decisiones para selección de una banda planal d l b d l


87/88

Algunas decisiones para elegir una banda plana son:

Función:

PotenciaVelocidadDurabilidadFactor de servicio

Factor de diseño, nd

Mantenimiento de la tensión inicialMaterial de la bandaGeometría de la banda, d, DEspesor de la banda, t Ancho de la banda, b

Tensiones de bandas planas flexibles en algunos puntos durante elpaso de la banda.


88/88

parcial1-maquinas

Documents