generalidades de mecanismos
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8/16/2019 generalidades de mecanismos
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Generalidades de mecanismos
Diseño de componentes mecánicos
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Índi e
• Introducción• Competencias terminales• Competencias específicas
1 Introducción al diseño en ingeniería mecánica.1.1 Fases del diseño.1.2 Consideraciones del diseño.1.3 Métodos de diseño.1.4 El concepto del Conjunto mecánico.1.5 Sistemas de unidades.
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Índi e
1.6 Ajustes y Tolerancia.
1.6.1 ToleranciaAspectos básicos y consideraciones.Magnitud de la tolerancia y grados de calidad.Posición, designación y valor de la tolerancia.Tolerancia vs. costo
1.6.2 Ajuste Juego, apriete e indeterminadoSistemas de ajustes.
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2 Transmisión de potencia y relación de transmisión.
2.1 Trabajo y potencia.2.2 Relación de transmisión.2.3 Eficiencia de transmisión.2.4 Relación transmisión engranajes.
3 Uniones no permanentes.3.1 Pasadores, chavetas y lengüetas.3.2 Selección de pasadores, chavetas y lengüetas.
Índi e
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Introducción a la unidad)
• Debido al rápido desarrollo industrial y tecnológico, se hace necesariodar respuesta a los problemas que enfrenta ese sector, con la mismavelocidad y eficiencia desde el diseño.
• El uso de elementos como el computador permite además proveer de
calidad a las respuestas que el sector industrial requiere.• El ingenio, la innovación y la creatividad son parte de esa respuesta.
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Competencias Terminales
• Selecciona adecuadamente las tolerancias y ajustes requeridos paradiferentes componentes de máquinas.
• Calcula las diferentes velocidades existentes en un sistema detransmisión y su relación con la potencia transmitida.
•
Selecciona chavetas, lengüetas y ejes estriados en función de la carga atransmitir.
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Competencias específicas
• Precisa las etapas de un proyecto.• Calcula e interpreta las tolerancias y ajustes de ejes y agujero.• Relaciona potencia, torque y velocidad en sistemas de transmisión.
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Introducción al diseño
• Tema 1
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Capítulo 1: Introducción
Es preferible obtener una respuesta razonablemente
aproximada pero rápida que le indique si el diseño funciona
o no, que invertir más tiempo y obtener el mismo resultado
sólo que con más decimales.
Robert L Norton (Libro Diseño de máquinas)
Imagen: El tornillo aéreo (arriba), 1486, considerado elantecesor del helicóptero. (abajo) Experimento sobre lafuerza de sustentación de un ala. Leonardo Davinci
Fuente: Wikipedia
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DISEÑO
formular un plan para satisfacer una demanda
humana.
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Capítulo 1: Introducción
CÁLCULO DE MÁQUINAS
Estudio de los procesos de toma de decisiones, con loscuales los Ingenieros Mecánicos formulan planes, para la
realización física de máquinas, dispositivos y sistemas.
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Diseño en Ingeniería Mecánica.
Formular un plan funcional para desarrollar omodificar una máquina o elemento mecánico con elfin de satisfacer una necesidad o demanda.
Requiere
Conocimientos Científicos.
Métodos Técnicos.
Buen Criterio.
Cierto Grado de Ingenio.
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Fases del Diseño+
Enfoques del desarrollo de unproducto
•(a) Enfoque de ingeniería de producto (del libro Kalpakjian
[1997]).
• (b) Enfoque de ingeniería
concurrente (adaptado del libro
Pugh [1996]).
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
• Resistencia, rigidez, peso/volumen, espacio.• Desgaste, lubricación, corrosión.• Propiedades térmicas, acabados.• Coste, mantenimiento, duración, fiabilidad.• Seguridad, estética.• Medio ambiente, reciclaje, procesos.
En cada caso, hay que determinar que factores o consideraciones de
diseño , son relevantes y en con que grado.
SEGURIDAD
Revisar ciclo de vida, localizando riesgos potenciales.
Elementos redundantes - Diseño integral(sin añadidos) Especificaciones legales.
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Factor Económico: Diseño para Fabricación
Efecto de las consideraciones de manufactura y ensamble en el diseño de una
motosierra.
(a) Diseño original con 41 partes y 6.37 minutos de tiempo de ensamblaje.
(b) Diseño modificado, con 29 partes y 2.58 minutos de tiempo de
ensamblaje. [From Boothroyd (1992)].
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Aproximación al factor de seguridad, según Puglsey
Cálculo:
ns=ns,xns,y
ns= Factor de seguridad ns,x se obtiene de la Tabla 1.1ns,y de la Tabla 1.2
Table 1.1 Factor de seguridad
caracteristicas A, B, y C
Table 1.2: Factor de seguridad
caracteristicas D and ECharacteristica D=
ns s vsE=ns 1.0 1.2 1.4E=s 1.0 1.3 1.5
E=vs 1.2 1.4 1.6avs=very ser ious, s=serious and ns=not seriousD=danger to personnelE=economic impact
Characteristica B=vg g f p
A=vg
C
vg
g
f
p
1.11.21.31.4
1.31.451.61.75
1.51.71.92.1
1.71.952.2
2.45
A=g
C
vg
g
f
p
1.31.451.6
1.75
1.551.751.952.15
1.82.052.32.55
2.052.352.652.95
A=f
C
vg
g
f
p
1.51.71.92.1
1.82.052.32.55
2.12.42.73.0
2.42.753.1
3.45
A=p
C
vg
g
f
p
1.71.952.2
2.45
2.152.352.65
2.95
2.42.753.1
3.45
2.753.153.55
3.95avg=very good, g=good, f=fair and p=poor A=quality of materials, workmanship, maintenance and inspectionB=control over load applied to partC=accuracy of stress analysis, experimental data, or experience withsimilar parts
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CODIGOS - NORMAS DE INDUSTRIA
ANSI - American National Standards Institute.
ASME - American Society of Mechanical Engineers.
ASTM - American Society for Testing and Materials.
AGMA - American Gear Manufacturers Association.
AISI - American Institute of Steel Construction.
ISO - International Standards Organization.
NFPA - National Fire Protection Association.
UNE - Una Norma Española
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Conjunto Mecánico
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SI, Unidades y Prefijos(a) SI unitsQuantity Unit SI symbol FormulaSI base units
LengthMassTimeTemperatureSI supplementary unitPlane angleSI derived unitsEnergyForcePower Pressure
Work
meter kilogramsecondkelvin
radian
joulenewton
watt pascal
joule
mkgsK
rad
J NWPa
J
----
-
N-mkg-m/s2
J/s N/m2
N-m
(b) SI prefixes SI symbolMultiplication factor Prefix for prefix1 000 000 000 000 = 1012
1 000 000 000 = 109
1 000 000 = 106
1 000 = 103
100 = 102
10=101
0.1=10-1
0.01=10-2
0.001=10-3
0.000 001 = 10-6
0.000 000 001 = 10-9
0.000 000 000 001= 10-12
teragigamegakilo
hectodekadeci
centimillimicronano pico
TGMk hdad
cmµn
p
Table 1.3 SI unidades yprefijos
Text Reference: Table 1.3, page 19
Tabla 1.4 Factores de conversión y definiciones.
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Factores deConversión
(a) Fundamental conversion factors
English unit Exact SI value Approximate SI
value
Length
Mass
Temperature
1 in
1 lbm
1 deg R
0.0254 m
0.453 592 37 kg
5/9 K
-
0.4536 kg
-
(b) DefinitionsAcceleration of gravity
Energy
1g=9.8066 m/s2 (32.174 ft/s
2)
Btu (British thermal unit)amount of energy required to
raise 1 lbm of water 1 deg F (1 Btu = 778.2 ft-lbf)
kilocalorie amount of energy required to raise 1 kg of
water 1 K (1 kcal=4187 J)
Length 1 mile=5280 ft; 1 nautical mile = 6076.1 ft.
Power 1 horsepower = 550 ft-lbf/s
Pressure 1 bar 105 Pa
Temperature degree Fahrenheit tF=9/5tC+32 (where tC is degrees)
(Celsius)
degree Rankine tR =tF+459.67Kelvin tK =TC+275.15 (exact)
Kinematic viscosity 1 poise 0.1 kg/m-s
1 stoke 0.0001 m2/s
Volume 1 cubic foot = 7.48 gal
(c) Useful conversion factors
1 ft = 0.3048 m
1 lbf = 4.448 N
1 lbf = 386.1 lbm-in/s2
1 kgf = 9.807 N
1 lbf/in2 = 6895 Pa
1 ksi = 6.895 Mpa
1 Btu = 1055 J
1 ft-lbf = 1.356 J
1 hp = 746 W = 2545 Btu/hr
1 kW = 3413 Btu/hr
1 quart = 0.000946 m3 = 0.946 liter
1 kcal = 3.968 Btu
Tabla 1.4 Factores de conversión. Ejemplo
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Useful conversion factors
1 ft = 0.3048 m
1 lbf = 4.448 N
1 lbf = 386.1 lbm-in/s2
1 kgf = 9.807 N
1 lbf/in2 = 6895 Pa
1 ksi = 6.895 Mpa
1 Btu = 1055 J
1 ft-lbf = 1.356 J
1 hp = 746 W = 2545 Btu/hr
1 kW = 3413 Btu/hr
1 quart = 0.000946 m3
= 0.946 liter1 kcal = 3.968 Btu
)/()( srad Nm M torsor
)()/()()/()()( m R srad N F smv N F W Potencia
)/(
)()(
srad
W Potencia Nm M torsor
Nm
srevrad revn
CV
W CV Potencia
Nm M torsor 77,7123
)(min/60
1
)/(2min)/(
746)(
)(
n
CV
n
CV
m
cmm
N
Kgf N cm Kgf M torsor
72639100
807,9
177,7123)(
1415,3
/8,9
73518,71621)( 2
sm g
W CV
n
CV cm Kgf M torsor
Error = 1,2%
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Case Study
Text Reference: Figure 1.4, page 21
Hueso coxal (cadera) y fémur
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Preguntas
• Cuando se maquina un eje a determinada medida: – ¿Queda exactamente a la medida deseada? – ¿Qué sucede? – ¿De que depende?
• Si este eje va a trabajar dentro de un agujero: – ¿Cómo debe quedar acoplado? – ¿Si el trabajo es en serie que asegura un trabajo similar?
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Dimensiones Principales
Cota Nominal (N)Cota Real (R)Cota Máxima (CM)Cota Mínima (Cm)Desviación Superior (Ds):
Ds= CM – N
Desviación Inferior (Di):Di= Cm – N
Desviación Real = R-N
Tolerancia
T = CM – Cm en µmEjm: Si: N=50 mm; Ds= +0,05; Di= -0,02
Determinar las dimensiones principales
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Consideraciones importantes:
1. Magnitud de la tolerancia.2. Posición de la tolerancia.
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1.- Magnitud de la Tolerancia
Para una misma calidad defabricación
La magnitud varía con la cotanominal:- > N > Magnitud- < N < Magnitud
Para una misma cotanominal
La magnitud varía según la calidad yexactitud de la pieza:- > Magnitud < exactitud (calidad)
- < Magnitud > exactitud (calidad)
a.- En función de la Cota Nominal
b.- En función del Servicio que presta
Por lo tanto:Existen Grados de Calidad ó Tolerancia
G d d C lid d
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Grados de Calidad
Ultra -precisión
Calibres – Piezasde gran precisión Piezas o elementos destinados a ajustar Piezas o elementos que no van a ajustar
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2.- Posición de la Tolerancia
Material
Material
- Posición de CM y Cm respecto ala «línea cero»
- Se le denomina con las letrasdel alfabeto
• Piezas exteriores (agujeros)con Mayúsculas.
• Piezas interiores (ejes) conminúsculas
Observaciones:
A-Ha-h
Dentro del material
H
h
Posición cero ambosdentro del material
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Designación de una tolerancia
40F8Grado de calidad IT8
Posición (agujero)
Cota Nominal (N)
Cota Nominal (N) = 40 mmPosición F = + 25 µm (tablas)Magnitud (T) = 39 µm (tablas)
CM = 40 + 0,025 + 0,039 = 40,064 mmCm = 40 + 0,025 = 40,025 mm
Ds = 64 µmDi = 25 µmR = entre 40,025 y 40,064 mm
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Tolerancia vs Costo
1. Para igual tolerancia: – Agujero mas caro – Eje menos caro.
2. Aumento fuertemente en los costos: – En ejes: tolerancias < 25 µm. – En agujeros: tolerancias < 50 µm.
3. Preferencias: – Ejes: IT7 o más. – Agujeros: IT8 o más
4. Para obtener costos iguales en ejes y agujeros: – Eje un grado de calidad menos que el agujero:
• Ejm: Eje calidad IT7 y agujero calidad IT8
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Ejemplos
• 8H7• 8f7• 60F8•
45r6• 225r6• 8C11• 35K8• 56M7
• 60H9• 120E9• 210S5•
75R4• 40h9• 140js8• 40J9
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Ejercicios
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Ajustes
Ajustes:
-
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Ajustes: Juego, Apriete e Indeterminado
Jmax= CM(a) - Cm(e) = (+)
Jmin = Cm(a) - CM (e) = (+)
Amin= CM(a) - Cm(e) = (-)Amax= C
m(a) - C
M (e) = (-)
Ajustes
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Ajustes
Jmax = CM(a) - Cm(e) = (+)Amin = Cm(a) - CM (e) = (-)
Jmin = CM(a) - Cm(e) = (+)Amax = Cm(a) - CM (e) = (-)
Tendencia al juego Tendencia al apriete
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Sistema de Ajustes
Agujero Único
NH/a,b,c,d,…
Eje Único
NA,B,C,D,…/h
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Ejercicios
1. Se desea acoplar una polea en el eje de un ventilador el cual debe fabricarse con undiámetro nominal de 35 mm. Encontrar:
– Tipo de ajuste – Cotas máximas, mínimas, posición y magnitud de la tolerancia. – Juego o aprietes máximos y mínimos según el tipo de ajuste.
2. Un eje debe acoplarse a un agujero mediante un elemento intermedio (bocina). El ejegira a alta velocidad y debe tener un diámetro nominal de 20 mm, y la bocina debepermanecer estática en el agujero de 30 mm de diámetro nominal. Hallar:
– Tipo de ajuste (eje/bocina; bocina agujero) – Dimensiones principales para ambos ajustes. – Juego y/o aprietes máximos y mínimos.
3. Se ha recuperado el asiento del eje de una turbina que gira a alta velocidad y debecolocarse dentro de un cojinete de 38,5 mm de diámetro. Cuales son los límitesmáximos y mínimos dentro de los que hay que rectificar el asiento del eje.
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Tema 2
TRANSMISIÓN DE POTENCIA Y RELACION DE
TRANSMISIÓN
Diseño de Componentes de equipo pesado
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Trabajo y Potencia
d
F
d F W .
Trabajo:
t d F
t d F
t W ..
Para un tiempo «t»:
v F P .La potencia:
F
Ɵ r l
l
l F W .t
r F t
r F
t
l F
t
W ..
...
.T P
Trabajo: Para un tiempo «t»:
La potencia:
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Eficiencia
SistemaMecánico
Wentra
Wsale
Si no existen pérdidas (ideal): Wentra = Wsale
Si existen pérdidas (real): Wentra > Wsale
W e n t r a
W s a l e
Pérdida
Wentra
Wsale
Eficiencia:
0 < ɳ < 1
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Relación de Transmisión
http://inventosleodavinci.blogspot.pe/
zonaemec.wordpress.com
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Relación de Transmisión
2
60.)(
:
rpmn
s
rad Si
)(
..
2.
2
60.
2.
2
60.
..
1
2
2
1
2211
2211
2211
ntransmisióderelaciónd
d
n
n
i
d nd n
d d V
r r V
d1 d
2
n1
(rpm)n2
(rpm)
Motriz
ConducidoV
F F
Mt1Mt2
1
2
2
1
2
1
2
2
1
1 .2.2
n
n
d
d
Mt
Mt
d
Mt
d
Mt F
Relación de Momento Torsor (Torque)
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Ejemplo 1:
Si:n1 = 1800 rpmd1 = 100 mmn4 = 600 rpm,encontrar:n2,n3,d2,d3 y d4
Encontrar la relación de transmisión total.
Si la potencia requerida a la salida es de50 HP, cual es la potencia mínimarequerida para el motor eléctrico
n1, d1
n3, d3n2, d2
n4, d4
i1i2
-
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F1
F2
F1
F2
Ejemplo 2:Encontrar el Momento
Torsor en el eje
Ejemplo 3:Encontrar la relación de transmisión
en función del Momento Torsor
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Relación de Transmisión en
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engranajes
n1, d1, z1
n3, d3, z3n2, d2, z2
n4, d4, z4
i1i2
ɳ 1
ɳ 2
31
42
31
42
1
4
4
1
.
.
.
.
z z
z z
d d
d d
Mt
Mt
n
niT
-
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Elementos de Unión:Pasadores, Chavetas y lengüetas
Tema 3
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Pasadores
Tipos:
Cilíndricos
Cónicos
Estriados
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Pasadores Cilíndricos
Designación:
Pasador Cilíndrico 10m6x60 DIN 7
Pasadores
• Tipos:
-
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• Tipos: – Cilíndricos
– Cónicos
– Estriados
Pasadores Cilíndricos
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Pasadores Cilíndricos
Designación:Pasador Cilíndrico 10m6x60 DIN 7
Pasadores Cilíndricos
-
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• Pasadores de AjusteTemplado. –
Resisten grandes esfuerzos. Enmoldes de acero. Extremoscónicos (30°)
• Pasadores Ajuste Normales – St50 ó St60. Construcción de
máquinas como pasadores deseguridad.
• Pasadores de Unión – St40 ó St50. Uniones móviles
Pasadores Cilíndricos
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Pasadores Cilíndricos
Pasador Cónico
-
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Pasador Cónico
Designación:
Pasador Cónico 10x60 DIN 1
Pasador Cónico
-
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Pasador Cónico
Pasador Cónico
-
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Pasador Cónico
Designación:
Pasador Cónico 10x60 DIN 1
Pasador Cónico
-
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Pasador Cónico
Designación:Pasador Ajustado con Cabeza20h11x40 DIN 1434
Pasador Cónico con Espiga Roscada10x80 DIN 7977
Pasadores Estriados
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Chavetas y Lengüetas
-
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y g
Inclinación 1:100
Chavetas y Lengüetas
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ChavetasDesignación:Chaveta forma A 35x20x160 DIN 6886
Designación:Chaveta con Cabeza 16x10x160 DIN 6887
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Chaveta forma A 35x20x160 DIN 6886
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Lengüeta Redonda – ChavetaWoodruff
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Woodruff
Designación:
Lengüeta redonda 6x9 DIN 6888
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8/16/2019 generalidades de mecanismos
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8/16/2019 generalidades de mecanismos
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Diseño de Chavetas y Lengüetas
-
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Transmisión de esfuerzos
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8/16/2019 generalidades de mecanismos
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Esfuerzos a analizar:
- Aplastamiento en el eje.- Aplastamiento en la Chaveta.- Corte en la Chaveta.- Aplastamiento en el cubo.
¿Qué sucede en un ejeconducido y un ejemotriz?
Ejercicio
-
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• Un motor transmite 40 HP a600 rpm, mediante unsistema de engranajes a unárbol de 48 mm de diámetro.Determinar las dimensiones
de las lengüetas adecuadas sison de St 50 cuyo límite defluencia es de 295 N/mm2 .Considerar un F.S. de 2,8.Calcular según DIN y según
ANSI
Ejercicios
-
8/16/2019 generalidades de mecanismos
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• Especificar una lengüeta para un engranaje que se va a montar en uneje cuyo diámetro es de 2 pulg. El engranaje transmite 21 ooo lbxpulgde torque y tiene un ancho de 4 pulg.
• Una polea está fijada a un eje de 75 mm de diámetro que gira a 200rpm por medio de una chaveta plana de 19,05 mm de ancho y 125 mmde longitud. Los esfuerzos permisibles en la chaveta son 5,5 kg/mm2
al corte y 9.80 kg/mm2 al aplastamiento. Se pide:a) Determinar la potencia que puede transmitir.b) ¿Qué altura de chaveta es necesaria?c) Las dimensiones del chavetero en el eje y en el cubo.
Bibliografía
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8/16/2019 generalidades de mecanismos
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• R. Budynas y J. Keith (2008). Diseño en ingeniería mecánica deShigley. Mexico: McGraw-Hill.
• Robert Norton (2011). Diseño de máquinas. Mexico: Prentice Hall.