INTRODUCCION AL DISEÑO DE MAQUINAS

1. CRITERIOS DE DISEÑO

2. DISEÑO Y ANÁLISIS DE MÁQUINAS:

CÁLCULOS APROXIMADOS, MEF, PROTOTIPOS

3. SELECCIÓN DE MATERIALES: PROPIEDADES

CUALITATIVAS Y CUANTITATIVAS

4. COEFICIENTE DE SEGURIDAD EN DISEÑO DE

MÁQUINAS

Watt steam engine

1. CRITERIOS DE DISEÑO

1. Un criterio de diseño es aquella característica que influye en el diseño de un

elemento o de un sistema

2. Criterios de diseño más comunes:

a) Resistencia/esfuerzo

b) Distorsión/deflexión/rigidez.

c) Seguridad.

d) Confiabilidad.

e) Coste

f) Fabricación

g) Peso.

h) Vida

i) Estilo

j) Forma

k) Tamaño

l) Propiedades térmicas

m) Estado superficial

n) Lubricación

o) Mantenimiento

p) Responsabilidad legal

2. DISEÑO Y ANALISIS DE MAQUINAS: CALCULOS APROXIMADOS,

MEF, PROTOTIPOS

1. El diseño de un elemento o pieza comienza siempre por un predimensionado

aproximado. Una vez predimensionado, se decide sobre la necesidad o no de

realizar un análisis de su comportamiento

2. Una vez obtenidos los resultados del análisis se realizan modificaciones en el

diseño original, buscando un diseño óptimo a base de ciclos de prueba-error.

3. Al analizar una pieza, es preciso decidir el procedimiento de análisis (se suelen

combinar, no son excluyentes):

a) Métodos tradicionales (cálculos manuales): derivados de la Tª de

Elasticidad, Resistencia de Materiales, Tª de Estructuras, Tª de Vibraciones…

b) Métodos numéricos por ordenador (CAE): permiten realizar análisis que

los métodos tradicionales no pueden abordar

c) Ensayos experimentales: los más importantes son los de propiedades de los

materiales (sobre probetas), y los de funcionamiento en condiciones de

servicio (sobre prototipos)

3. SELECCIÓN DE MATERIALES: PROPIEDADES CUALITATIVAS Y

CUANTITATIVAS

1. El buen funcionamiento de los componentes y sistemas de máquinas depende

en gran medida de los materiales que especifique el diseñador

2. Conocer las propiedades permite seleccionar el material más adecuado

considerando además otros aspectos de sentido común. Las más importantes:

a) Propiedades resistentes y fiabilidad de las mismas

b) precio de la materia prima

c) proceso de fabricación

d) manipulación, transporte y almacenaje

e) facilidad de reparación

f) garantías del suministrador en cuanto a continuidad y plazos de entrega

g) viabilidad, coste y precisión de los métodos de análisis

3.1. PRINCIPALES PROPIEDADES MECANICAS CUALITATIVAS

1. Homogeneidad: un material es homogéneo cuando tiene las mismas

propiedades en todos sus puntos

2. Isotropía: cuando el material tiene las mismas propiedades en todas

direcciones

3. Elasticidad: es la capacidad para recuperar la forma original una vez que se

eliminan las solicitaciones que actúan sobre la pieza

4. Linealidad: un material es lineal cuando la curve tensión-deformación es una

recta. No debe confundirse con la elasticidad

5. Plasticidad: es la capacidad de deformarse sin romper, dentro de un límite de

tensión, pero que una vez eliminada la solicitación no desaparece completamente

la deformación

6. Ductilidad y fragilidad: un material dúctil posee una gran deformación εu en la

rotura, que corresponde con una zona plástica amplia. Un material frágil rompe

con una deformación pequeña, aunque la tensión σu pueda ser elevada

3.2. PRINCIPALES PROPIEDADES MECANICAS CUANTITATIVAS

1. Resistencia a la tracción: también denominada tensión última, σu, es la tensión

de la probeta en el momento de la rotura en el ensayo de tracción.

2. Resistencia de fluencia: tensión σyp a partir de la cual la deformación crece

rápidamente sin incremento de fuerza exterior, en forma plástica y permanente.

3. Resistencia a la cizalladura: existen elementos de máquina que soportan cargas

de cizallamiento. La resistencia a la cizalladura es la fuerza que produce la rotura

entre el área de la sección recta de la probeta

4. Resistencia a torsión: este concepto no se usa tanto mucho, pues el

comportamiento a torsión se puede estudiar a partir del ensayo de tracción.

5. Resiliencia: es la capacidad de un material para absorber energía elástica. Su

medida es el módulo de resiliencia y se obtiene del diagrama de tracción

6. Tenacidad: es la capacidad de absorción de energía de un material hasta su

rotura. El módulo de tenacidad estática es el área comprendida debajo del

diagrama de tracción.

7. Dureza: es la resistencia de un material a ser penetrado; es una medida de la

resistencia al desgaste. Los procedimientos Brinell y Rockwell son los más

utilizados en elementos de máquina. En aceros, para cálculos aproximados:

8. Resistencia a la fatiga : los elementos sometidos a esfuerzos variables fallan

por fatiga al cabo de miles o millones de ciclos, fallan por fatiga. La resistencia a

fatiga hace referencia a este fenómeno.

9. Creep (cedencia térmica):, fenómeno por el cual a temperaturas relativamente

elevadas la deformación de una pieza sometida a tensión estática aumenta

progresivamente con el tiempo, aun con tensión por debajo de 𝜎yp.

4. COEFICIENTE DE SEGURIDAD EN DISEÑO DE MAQUINAS

1. El coeficiente de seguridad (CS) proporciona un margen de seguridad para

reducir el riesgo de fallo hasta un “nivel aceptable”. Cubre diferentes factores:

a) no se conocen suficientemente determinados factores

b) determinados factores son de índole estadística y no se desea realizar un

estudio probabilístico

c) determinados factores se simplifican con hipótesis simplificativas

2. El CS puede tener diversas formas en diseño mecánico: tensional, de

deformación, de desplazamiento, de duración, de desgaste…

3. En su forma mas sencilla se define como el cociente.de dos valores: el fallo

(valor que incapacita la pieza para cumplir adecuadamente su misión) en el

numerador y el admisible en el denominador.

4. Al ser la mayoría de los componentes mecánicos de acero, hay que distinguir

entre aceros con comportamiento dúctil o frágil en las condiciones de servicio:

a) en materiales dúctiles, la tensión de fallo es la de fluencia (implica

una deformación elevada y permanente)

b) en materiales frágiles, la tensión de fallo es la de rotura (implica la rotura

de la pieza)

5. En materiales dúctiles se tiene una seguridad adicional: la zona plástica frente

a rotura. Los materiales ductiles “avisan” antes de romper, mientras que en

frágiles la rotura es repentina y sin previo aviso. Así, se recomienda CSf ≈ 2· CSd

6. La selección y tipo de CS es una de las decisiones de diseño mas importantes:

a) En sistemas son de responsabilidad, por el riesgo de daños humanos o

medioambientales, se usan CS legislados, de obligado cumplimento.

b) Un criterio es basarse en la experiencia de la empresa, ya que los

valores son los adecuados para su metodología de trabajo.

c) Si no se dispone de datos, existen tablas de recomendaciones de valores

habitualmente utilizados en diseño y análisis mecanico.

Para materiales dúctiles:

CS ≥ 1,25. Para análisis deterministas

1,25 ≤ CS ≤ 1,5. Para material de comportamiento ductil con una fiabilidad excepcional,

en condiciones de trabajo muy previsibles, con solicitaciones estáticas bien conocidas y

utilizando métodos de cálculo precisos

1,5 ≤ CS ≤ 2,0. Materiales ductiles de propiedades bien conocidas, condiciones

ambientales relativamente constantes y poco agresivas, sometidos a solicitaciones estáticas

bien conocidas y tal que se puedan realizar cálculos fiables

2 ≤ CS ≤ 2,5. Materiales ductiles de calidad media para piezas en condiciones de trabajo

no muy exigentes ni agresivas, sometidas a cargas estáticas y esfuerzos que pueden

determinarse con cierta aproximación

2,5 ≤ CS ≤ 3,0. Materiales dúctiles en los que no hay una referencia conocida de la

fiabilidad de los valores de sus propiedades resistentes, o sometidos a cargas estáticas que

pueden ser determinadas con cierta precisión

3,0 ≤ CS ≤ 4,0. Tan solo para el caso de materiales poco conocidos, en condiciones de

trabajo inciertas. En lo posible debe tratar de evitarse esta situación.

Para materiales frágiles:

Valores indicados arriba x2