generalidades de mecanismos

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


46/73

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


47/73

Relación de Transmisión en


48/73

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


50/73

Pasadores

Tipos:

Cilíndricos

Cónicos

Estriados


51/73

Pasadores Cilíndricos

Designación:

Pasador Cilíndrico 10m6x60 DIN 7

Pasadores

• Tipos:


52/73

• Tipos: – Cilíndricos

– Cónicos

– Estriados



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Designación:Pasador Cilíndrico 10m6x60 DIN 7



54/73

• 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



55/73


Pasador Cónico


56/73

Pasador Cónico

Designación:

Pasador Cónico 10x60 DIN 1

Pasador Cónico


57/73

Pasador Cónico

Pasador Cónico


58/73

Pasador Cónico

Designación:

Pasador Cónico 10x60 DIN 1

Pasador Cónico


59/73

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


61/73

y g

Inclinación 1:100

Chavetas y Lengüetas


62/73

ChavetasDesignación:Chaveta forma A 35x20x160 DIN 6886

Designación:Chaveta con Cabeza 16x10x160 DIN 6887


63/73

Chaveta forma A 35x20x160 DIN 6886


64/73

Lengüeta Redonda – ChavetaWoodruff


65/73

Woodruff

Designación:

Lengüeta redonda 6x9 DIN 6888


66/73


67/73


68/73

Diseño de Chavetas y Lengüetas


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Transmisión de esfuerzos


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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


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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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• R. Budynas y J. Keith (2008). Diseño en ingeniería mecánica deShigley. Mexico: McGraw-Hill.

• Robert Norton (2011). Diseño de máquinas. Mexico: Prentice Hall.

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