REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

NUCLEO BARCELONA

Profesor: Integrantes:

.

Barcelona, 25 de febrero de 2015

ÍNDICE

Introducción………………………………………………………… 1 Pág.

DISEÑOS DE LOS ELEMENTOS SOMETODOS A CARGA ESTATICA Y FATIGA

Desarrollo…………………………………………………………… 2-12 pág.

El diseño en ingeniería mecánica

Fases del diseño

Identificación de necesidades y definición del problema

Evaluación y presentación Consideraciones o factores de diseño

Análisis de carga estática Carga estática – flexión y torsión

Fatiga

Un ejemplo del análisis de fatiga

Consideraciones de rigidez

Determinación de la estabilidad

Conclusión…………………………………………………………13 pág.

Bibliografía…………………………………………………………14 pág.

Introducción

Todo ejemplo de diseño siempre está sujeto a determinadas restricciones para

su resolución. Un problema de diseño no es un problema hipotético en absoluto.

Todo diseño tiene un propósito concreto: la obtención de un resultado final al

que se llega mediante una acción determinada o por la creación de algo que

tiene realidad física.

Así bien, la resistencia de un elemento depende de la elección, el tratamiento y

el proceso del material. Recuérdese, entonces, que la resistencia también es

una propiedad inherente de un elemento, bien sea sometido a cargas estáticas

o a fatiga.

No obstante debemos considerar que las dimensiones de un eje es un

problema mucho más simple cuando solo actúan cargas estáticas que cuando

las cargas son dinámicas. En cualquier eje rotatorio cargado por momentos

estacionarios de flexión y torsión actuaran esfuerzos por flexión completamente

invertida, pero el esfuerzo torsional permanecerá estable.

DESARROLLO

El Diseño En Ingeniería Mecánica

El diseño mecánico es el diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica;

máquinas, aparatos, estructuras, dispositivos e instrumentos. En su mayor

parte, el diseño mecánico hace uso de la matemática, la ciencia de los

materiales y la ciencia mecánica aplicada.

El diseño de ingeniería mecánica incluye el diseño mecánico, pero es un

estudio de mayor amplitud que abarca todas las disciplinas de la ingeniería

mecánica, incluso las ciencias térmicas y de los fluidos. A parte de las ciencias

fundamentales se requieren, las bases del diseño de ingeniería mecánica son

las mismas que las del diseño mecánico y, por, consiguiente, tal es el enfoque

que se utilizará en el presente texto.

Fases Del Diseño

El proceso total de diseño es el temas de este capítulo. ¿Cómo empieza?

¿Simplemente llega un ingeniero a su escritorio y se sienta ante una hoja de

papel en blanco y se pone a escribir algunas ideas? ¿Qué hace después? ¿Qué

factores determinan o influyen en las decisiones que se deben tomar? Por

último, ¿Cómo termina este proceso de diseño?

Reconocimiento de la Necesidad

Definición del problema

Síntesis

Análisis y optimización

Evaluación

Presentación

Figura 1.1

A menudo se describe el proceso total de diseño- desde que empieza hasta que

termina como se muestra en la figura 1. Principia con la identificación de una

necesidad y con una decisión de hacer algo al respecto. Después de muchas

iteraciones, el proceso finaliza con la presentación de los planes para satisfacer

tal necesidad. En las secciones siguientes se examinarán en detalle estos

pasos del proceso de diseño.

Identificación De Necesidades Y Definición De Problemas

A veces, pero no siempre, el diseño comienza cuando un ingeniero se da

cuenta de una necesidad y decide hacer algo al respecto. Generalmente la

necesidad no es evidente. Por ejemplo, la necesidad de hace algo con respecto

a una máquina empacadora de alimentos pudiera detectarse por nivel de ruido,

por la vibración en el peso de los paquetes y por ligeras, pero perceptibles,

alteraciones en la calidad del empaque o la envoltura.

Hay una diferencia bien clara entre el planteamiento de la necesidad y la

definiciones del problema que sigue a dicha expresión (fig. 1) el problema es

más específico. Si la necesidad es tener aire más limpio, el problema podría

consistir en reducir la descarga de partículas sólidas por las chimeneas de

plantas de energía o reducir la cantidad de productos irritantes emitidos por los

escapes de los automóviles, o bien disponer de medios para apagar

rápidamente los incendios forestales.

Una vez que se han definido el problema y obtenido un conjunto de

especificaciones implícitas, formuladas por escrito, el siguiente paso en el

diseño como se indica en la figura 1 es la síntesis de una solución óptima.

Ahora bien, esta síntesis no podrá efectuarse antes de hacer el análisis y la

optimización, puesto que se debe analizar el sistema a diseñar, para determinar

si su funcionamiento cumplirá las especificaciones. Dicho análisis podría revelar

que el sistema no es óptimo. Si el diseño no resultase satisfactorio en una de

dichas pruebas o en ambas, el procedimiento de síntesis deberá iniciarse otra

vez.

Se ha indicado, y se reiterará sucesivamente, que el diseño es un proceso

iterativo en el que se pasa por varias etapas, se evalúan los resultados y luego

se vuelve a una fase anterior del proceso. En esta forma es posible sintetizar

varios componentes de un sistema, analizarlos y optimizarlos para, después,

volver a la fase de síntesis y ver que efecto tiene sobre las además partes del

sistema. Para el análisis y la optimización se requiere que se ideen o imaginen

modelos abstractos del sistema que admitan alguna forma de análisis

matemático. Tales modelos que reproduzcan lo mejor posible el sistema físico

real.

Evaluación y Presentación

Como se indica en la figura1, la evaluación es una fase significativa del proceso

total de diseño, pues es la demostración definitiva de que un diseño es acertado

y, generalmente, incluye pruebas con un prototipo en el laboratorio. En este

punto es cuando se desea observar si el diseño satisface realmente la

necesidad o las necesidades. ¿Es confiable? ¿Competirá con éxito contra

productos semejantes? ¿Es de fabricación y uso económicos? ¿Es fácil de

mantener y ajustar? ¿Se obtendrán grandes ganancias por su venta o

utilización?

La comunicación del diseño a otras personas es el paso final y vital en el

proceso de diseño. Es indudable que muchos importantes diseños, inventos y

obras creativas se has perdido para la humanidad, sencillamente porque los

autores no quisieron o no fueron capaces de explicar sus creaciones a otras

personas. La presentación es un trabajo de venta. Cuando el ingeniero presenta

o expone una nueva solución al personal administrativo superior (directores o

gerentes, por ejemplo) está tratando de vender o de demostrar que su solución

es la mejor; si no tiene éxito en su presentación, el tiempo y el esfuerzo

empleados para obtener su diseño se habrán desperdiciado por completo.

En esencia hay tres medios de comunicación que se pueden utilizar: la forma

escrita y oral, y la representación gráfica. En consecuencia, todo ingeniero con

éxito en su profesión tiene que ser técnicamente competente y hábil al emplear

las tres formas de comunicación.

Consideraciones O Factores De Diseño

A veces, la resistencia de un elemento es muy importante para determinar la

configuración geométrica y las dimensiones que tendrá dicho elemento, en tal

caso se dice que la resistencia es un factor importante de diseño.

La expresión factor de diseño significa alguna característica o consideración

que influye en el diseño de algún elemento o, quizá, en todo el sistema. Por lo

general se tiene que tomar en cuenta, varios de esos factores en un caso de

diseño determinado. En ocasiones, alguno de esos factores será crítico y, si se

satisfacen sus condiciones, ya no será necesario considerar los demás. Por

ejemplo, suelen tenerse en cuenta los factores siguientes:

Resistencia. Ruido

Confiabilidad. Estabilización

Propiedades térmicas. Forma

Corrosión. Tamaño

Desgaste. Flexibilidad

Fricción (o rozamiento). Control

Procesamiento. Rigidez

Utilidad. Acabado de Superficies

Costo. Lubricación

Seguridad. Mantenimiento

Peso. Volumen

Duración Responsabilidad legal

Algunos de estos factores se refieren directamente a las dimensiones, al

material, al procesamiento o procesos de fabricación o bien, a la unión o

ensamble de los elementos del sistema. Otros se relacionan con la

configuración total del sistema.

Análisis de carga estática – generalidades

La determinación de las dimensiones de un eje es un problema mucho más

simple cuando solo actúan cargas estáticas que cuando las cargas son

dinámicas. Y aun en este caso, es decir con cargas de fatiga, una estimación

preliminar de las dimensiones es necesaria muchas veces para lograr un buen

inicio en la resolución del problema.

Figura 18- 3

Cojinete de rodillos cónicos utilizados en un eje o

husillo de segadora mecánica. Este diseño representa

buena práctica en el caso de situaciones donde uno o

más elementos de transferencia de momento torsional

deben ser montados por fuera.

Figura 18 – 4

Transmisor de engranes cónicos en la cual el piñón

y el engranaje están montados en ménsula

Figura 18 – 5

Disposiciones que muestran los aros interiores de

cojinetes montados a presión sobre el eje, mientras

los aros exteriores flotan en el alojamiento. El espacio

libre axial debe ser suficiente solo para permitir

variaciones de maquinado. Obsérvese el sello laberíntico en el lado derecho.

Figura 18 – 6

Disposiciones similar a la figura 18 - 5, excepto que los

aros de cojinetes exteriores están precargados.

Obsérvese el uso de calzas bajo la tapa de extremo.

Figura 18 – 7

En esta disposición el anillo interior del cojinete del lado

izquierdo se fija al eje entre una tuerca y un escalón u

hombro. La tuerca de seguridad y la arandela o rondana del eje son los

estándares de AFBMA. El anillo elástico de cierre en el aro exterior sirve para

ubicar definitivamente el conjunto del eje de dirección axial. Obsérvese el

cojinete flotante del lado derecho, y las ranuras rebajadas formadas en el eje.

Carga estática – Flexión y torsión

En muchos casos, la componente axial F en las ecuaciones (18 - 4) y (18 – 5)

es nula o tan pequeña que puede ser despreciada. Con = 0, las ecuaciones (18

- 4) y (18 – 5) se convierten en

Es mas fácil resolver estas ecuaciones para evaluar el diámetro que la

ecuaciones (18 – 4) y (18 – 5)-

Introduciendo los valores de los esfuerzos permisibles a partir de las

ecuaciones (18 – 6) y (18 – 7), se obtiene que

Aplicando la teoría del esfuerzo cortante máximo. Alternativamente, si se

conoce el diámetro, el factor de seguridad se calcula por

Relaciones similares pueden obtenerse mediante la teoría de la energía de

distorsión. Los resultados correspondientes son

Fatiga

En cualquier eje rotatorio cargado por momentos estacionarios de flexión y

torsión actuaran esfuerzo de flexión completamente invertida, debido a la

rotación del árbol, pero el esfuerzo torsional permanecerá estable. Utilizando el

subíndice a para señalar la amplitud de esfuerzo alternante y el m para

esfuerzos de punto medio o esfuerzo estable,

Estas dos componente componentes de esfuerzo se pueden manipular

utilizando los círculos de Mohr por separado para cada una y aplicando la teoría

del esfuerzo cortante máximo o la teoría de la energía de distorsión, a fin de

obtener valores equivalentes valores equivalentes a los esfuerzos medio y

alternante. Cuando se obtenido estos valores, puede seleccionarse una de las

relaciones de falta que se muestran en el diagrama de fatiga 18 – 10 para

análisis o diseño. Así pues, la intersección de la línea de carga con la relación

seleccionada establece los valores límites de las componentes de esfuerzo.

Un Ejemplo De Análisis De Fatiga

En este ejemplo de relación de la resistencia con el tamaño del eje, se opta por

la teoría del esfuerzo cortante máximo para pronosticar el esfuerzo de daño y la

línea de Goodman modificada para predecir la resistencia significativa. El

análisis se restringe al caso de flexión invertida y momento de torsión

constante.

La figura 18 -11a muestra un elemento de esfuerzo en la superficie de un eje

redondo macizo cuya velocidad rotacional es ω, en radianes por segundo.

Ahora supóngase que un plano PQ pasa por la esquina superior derecha del

elemento. Luego, abajo del plano PQ habrá un elemento con forma de cuña,

como se muestra en la figura 18 – 11b. El ángulo α que se ilustra en la figura es

el ángulo entre el plano PQ y un plano horizontal. Se considerarán todos los

valores posibles de α para ver si se puede decidir o no cual será para aquellos

planos en que ocurre falla.

Figura 18 – 12

Diagrama de fatiga que muestra cómo la

línea de esfuerzo seguro AB se traza

paralela a la línea de Goodman

modificada, y tangente a la elipse.

La pendiente de una tangente en correspondencia

con el ángulo () es la razón de la ecuación (f) a la

(e).

Consideraciones de rigidez

Muchas de las secciones anteriores han tratado el problema de diseñar un eje

que no tendrá demasiado esforzamiento. Pero un eje así diseñado puede aún

ser insatisfactorio debido a su carga de rigidez. Una rigidez insuficiente puede

dar por resultado funcionamiento deficiente de los diversos elementos

montados en un eje, como engranes, embragues, cojinetes y volantes.

La deflexión angular en los cojinetes debe mantener dentro de los límites

prescritos para cojinetes. Lo capítulos anteriores deben emplearse para

asegurar que se cumplan estos límites.

Por ejemplos, si la deflexión lineal de ejes conectados con engranes es

demasiado grande, la duración de los engranes se acostara debido a las

fuerzas de impacto adicionales que se produzcan durante el embonado o

conexión y también debido al mayor desgaste de las superficies de los dientes.

Los engranes montados en ejes con rigideces serán más ruidosos también.

El tema de la vibración de un eje, que generalmente se estudia en la dinámica

de máquinas, no incluye en este libro. La falta de rigidez en un eje produce

vibración torsional y lineal, cuyos efectos pueden manifestarse en muchas

formas. La máquina no solo funcionara deficientemente, sino que tal

funcionamiento puede afectar la calidad de los productos producidos por dicha

máquina. Si es para el corte de metales el efecto advertirá en los intervalos e

tolerancia resultantes. Si se trata de una máquina para llenar envases

farmacéuticos, la vibración puede originar variaciones en el contenido

suministrado.

Determinación de la confiabilidad

Cuando cualquiera de los términos que se combinan para constituir el esfuerzo,

la resistencia, la deformación lineal o angular o la rigidez de un eje son

variables aleatorias, quizá convenga estimar la confiabilidad resultante. Esta

evaluación se realiza a partir de cualquier de los dos casos siguientes:

1.- un caso de resistencia limitada en la que un análisis de interferencia

se obtiene a partir del esfuerzo inducido por la carga en una localización critica

con resistencia correspondiente.

2.- un caso de deformación limitada es que el análisis de interferencia se

realiza a partir de la deformación inducida por la carga en una sección crítica

con el valor límite de la deformación (distorsión o deflexión).

CONCLUSIÓN

En las máquinas, la mayoría de los elementos están sometidos a esfuerzos

variables, producidos por cargas y descargas sucesivas y repetidas. Los

elementos sujetos a este tipo de esfuerzo se rompen o fallan, frecuentemente,

para un valor de esfuerzo mucho menor que el de ruptura correspondiente,

determinado mediante el clásico ensayo estático de tensión. Este tipo de falla

se denomina ruptura por fatiga.

Para el diseño correcto de elementos sometidos en esfuerzos alternados, es

necesario conocer el esfuerzo que puede aplicarse, sin que el elemento se

rompa, un número indefinido de veces, o el esfuerzo (algo más alto) que puede

quedar aplicado a un cierto número limitado de veces, caso que es importante

ya que a veces se diseñan máquinas o elementos que sólo se utilizan

ocasionalmente y que pueden tener, por tanto, una vida larga sin que el número

de veces que se haya aplicado a las cargas sea demasiado grande.

BIBLIOGRAFÍA

Autores: Joseph Edward Shigley, Chales R. Mischeke

Titulo: Diseño en Ingeniería Mecánica

IV edición en Español

Editorial: Mc Graw Hill