Material
Módulo de elasticidad E
Mpsi GPa
Módulo de rigidez G
Mpsi GPa
Relación de Poisson v
Peso unitario w
lb/pulg3 lb/ft3 kN/m3
Aluminio (todas las aleaciones) Cobre al berilio
Latón
Acero al carbono Fundición de hierro (gris) Cobre Abeto Douglas Vidrio Inconel Plomo Magnesio Molibdeno Metal Monel Níquel plata Acero al niquel Bronce fosforado Acero inoxidable (18-8)
10.3 18.0 15.4 30.0 14.5 17.2 1.6 6.7 31.0 5.3 6.5 48.0 26.0 18.5 30.0 16.1 27.6 71.0 124.0 106.0 207.0 100.0 119.0 11.0 46.2 214.0 36.5 44.8 331.0 179.0 127.0 207.0 111.0 190.0 3.80 7.0 5.82 11.5 6.0 6.49 0.6 2.7 11.0 1.9 2.4 17.0 9.5 7.0 11.5 6.0 10.6 26.2 48.3 40.1 79.3 41.4 44.7 4.1 18.6 75.8 13.1 16.5 117.0 65.5 48.3 79.3 41.4 73.1 0.334 0.285 0.324 0.292 0.211 0.326 0.33 0.245 0.290 0.425 0.350 0.307 0.320 0.322 0.291 0.349 0.305 0.098 0.297 0.309 0.282 0.260 0.322 0.016 0.094 0.307 0.411 0.065 0.368 0.319 0.316 0.280 0.295 0.280 169 513 534 487 450 556 28 162 530 710 112 636 551 546 484 510 484 26.6 80.6 83.8 76.5 70.6 87.3 4.3 25.4 83.3 111.5 17.6 100.0 86.6 85.8 76.0 80.1 76.0
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Diseño en
ingeniería
mecánica
de Shigley
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Diseño en
ingeniería
mecánica
de Shigley
Octava edición
Richard G. Budynas
Profesor emérito
Kate Gleason College of Engineering Rochester Institute of Technology
J. Keith Nisbett
Profesor asociado de Ingeniería Mecánica Universidad de Missouri—Rolla
Revisión técnica:
Miguel Ángel Ríos Sánchez
Departamento de Ingeniería Mecánica Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Estado de México
MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA • MADRID NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN
MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO
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Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez
Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de producción: Zeferino García García
Traducción: Jesús Elmer Murrieta Murrieta
Efrén Alatorre Miguel
DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA DE SHIGLEY Octava edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS © 2008 respecto a la octava edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edifi cio Punta Santa Fe
Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,
Delegación Álvaro Obregón
C.P. 01376, México, D. F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
ISBN-10: 970-10-6404-6 ISBN-13: 978-970-10-6404-7
Traducido de la octava edición en inglés de la obra SHIGLEY’S MECHANICAL ENGINEERING DESING, by Richard G. Budynas and J. Keith Nisbett. Copyright ©2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved
ISBN-13: 978-0-07-312193-2
ISBN edición anterior en español: 970-10-3646-8
1234567890 09765432108
Impreso en México Printed in Mexico
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A mi familia y buenos amigos, en especial a mi esposa
Joanne, quien realmente le da significado a todo esto.
También, al sinnúmero de estudiantes con quienes he
teni-do el placer de trabajar a través de los años.
Richard G. Budynas
A mi padre, quien compartió conmigo sus habilidades
como operador de máquinas, me demostró la curiosidad
de un ingeniero, y nunca dudó en su reconocimiento de por
qué cualquiera de estos aspectos tiene un significado.
J. Keith Nisbett
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viii
Dedicatoria a Joseph Edward Shigley
Joseph Edward Shigley (1909-1994) es indudablemente una de las personas más conocidas y respetadas por sus aportaciones a la enseñanza del diseño de máquinas. Fue autor o coautor
de ocho libros, incluyendo Theory of Machines and Mechanisms (con John J. Uicker, Jr.),
y Handbook of Machine Design. Comenzó con Machine Design como autor único en 1956,
hasta que el texto evolucionó hasta convertirse en Mechanical Engineering Design (Diseño
en ingeniería mecánica), con el que se estableció el modelo para este tipo de libros de texto. Contribuyó con las primeras cinco ediciones de este libro, junto con los coautores Larry Mitchell y Charles Mischke. Un número incontable de estudiantes a lo largo del mundo tie-nen su primer encuentro con el diseño de máquinas a través del libro de texto de Shigley, que se ha convertido en un verdadero clásico. Prácticamente todos los ingenieros mecánicos del pasado medio siglo han hecho referencia a terminología, ecuaciones o procedimientos como provenientes de “Shigley”. McGraw-Hill tiene el honor de haber trabajado con el Profesor Shigley durante más de cuarenta años, y como un tributo a su última contribución a este libro, su título reflejará de manera oficial el nombre que muchas personas ya le dan al texto: Diseño en ingeniería mecánica de Shigley.
Después de haber recibido títulos en Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Mecánica por la Universidad Purdue y una maestría en ciencias en ingeniería mecánica por la Universidad de Michigan, el profesor Shigley realizó una carrera académica en el Clemson College, de 1936 a 1954. Esto lo condujo a su puesto como profesor y jefe de diseño mecánico y dibujo en dicha institución. Se unió al magisterio del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Michigan en 1956, donde permaneció durante veintidós años hasta su retiro en 1978.
El profesor Shigley obtuvo el rango de catedrático de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) en 1968. Recibió el premio del Comité de Mecanismos de la ASME en 1974, la medalla Worcester Reed Warner por su destacada contribución a la litera-tura permanente para ingeniería en 1977, y el premio para el Diseño de Máquinas de la ASME en 1985.
Joseph Edward Shigley ciertamente marcó la diferencia. Su legado perdurará.
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ix Richard G. Budynas es profesor emérito del Colegio de Ingeniería Kate Gleason en el Instituto de Tecnología Rochester. Tiene más de 40 años de experiencia en la enseñanza y la práctica del diseño para ingeniería mecánica. Es el autor de un libro de texto de
McGraw-Hill, Advanced Strength and Applied Stress Analysis, segunda edición; y coautor de un libro
de referencia reciente para McGraw-Hill, Roark’s Formulas for Stress and Strain, séptima
edición. Recibió el grado de Licenciatura en Ingeniería Mecánica en el Union College, el de Maestría en la Universidad de Rochester y el de Doctorado en la Universidad de Massachussets. Es ingeniero profesional con licencia en el estado de Nueva York.
J. Keith Nisbett es profesor asociado y catedrático asociado de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Missouri en Rolla. Tiene más de 20 años de experiencia en el uso y la ense-ñanza de este libro clásico. Como lo demuestran los continuos premios a la enseense-ñanza que ha recibido, incluyendo el premio que otorga el gobernador para la excelencia en la enseñanza, está dedicado a encontrar formas de comunicar conceptos a los estudiantes. Recibió el grado de licenciatura, maestría y doctorado de la Universidad de Texas en Arlington.
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x
Contenido breve
Prefacio xvii
Parte 1 Fundamentos 2
1 Introducción al diseño en la ingeniería mecánica 3
2 Materiales 27
3 Análisis de carga y esfuerzo 67
4 Defl exión y rigidez 141
Parte 2 Prevención de fallas 204
5 Fallas resultantes de carga estática 205
6 Fallas por fatiga resultantes de carga variable 257
Parte 3 Diseño de elementos mecánicos 346
7 Ejes, fl echas y sus componentes 347
8 Tornillos, sujetadores y diseño de uniones no permanentes 395
9 Soldadura, adhesión y diseño de uniones permanentes 457
10 Resortes mecánicos 499
11 Cojinetes de contacto rodante 549
12 Cojinetes de contacto deslizante y lubricación 597
13 Engranes: descripción general 653
14 Engranes rectos y helicoidales 713
15 Engranes cónicos y de tornillo sinfín 765
16 Embragues, frenos, coples y volantes 805
17 Elementos mecánicos fl exibles 859
18 Caso de estudio: transmisión de potencia 913
Parte 4 Herramientas de análisis 932
19 Análisis de elementos fi nitos 933
20 Consideraciones estadísticas 957
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Apéndices
A Tablas útiles 983
B Respuestas a problemas seleccionados 1039
Índice 1044
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xii
Contenido
Prefacio xvii
Parte 1 Fundamentos 2
1
Introducción al diseño en la
ingeniería mecánica
31-1 El diseño 4
1-2 El diseño en la ingeniería mecánica 5
1-3 Fases e interacciones del proceso de diseño 5
1-4 Herramientas y recursos de diseño 8
1-5 Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseño 10
1-6 Normas y códigos 12
1-7 Economía 12
1-8 Seguridad y responsabilidad legal del producto 15
1-9 Esfuerzo y resistencia 15
1-10 Incertidumbre 16
1-11 Factor de diseño y factor de seguridad 17
1-12 Confiabilidad 18
1-13 Dimensiones y tolerancias 19
1-14 Unidades 21
1-15 Cálculos y cifras significativas 22
1-16 Especificaciones del estudio del caso transmisión de potencia 23
Problemas 24
2
Materiales
272-1 Resistencia y rigidez del material 28
2-2 Significancia estadística de las propiedades de los materiales 32
2-3 Resistencia y trabajo en frío 33
2-4 Dureza 36
2-5 Propiedades de impacto 37
2-6 Efectos de la temperatura 39
2-7 Sistemas de numeración 40
2-8 Fundición en arena 41
2-9 Moldeado en cascarón 42
2-10 Fundición de revestimiento 42
2-11 Proceso de metalurgia de polvos 42
2-12 Procesos de trabajo en caliente 43
2-13 Procesos de trabajo en frío 44
2-14 Tratamiento térmico del acero 44
2-15 Aceros aleados 47
2-16 Aceros resistentes a la corrosión 48
2-17 Materiales para fundición 49
2-18 Metales no ferrosos 51
2-19 Plásticos 54
2-20 Materiales compuestos 55
2-21 Selección de materiales 56
Problemas 63
3
Análisis de carga
y esfuerzo
673-1 Equilibrio y diagramas de cuerpo libre 68
3-2 Fuerza cortante y momentos flexionantes en vigas 71
3-3 Funciones de singularidad 73
3-4 Esfuerzo 75
3-5 Componentes cartesianos del esfuerzo 75
3-6 Círculo de Mohr del esfuerzo plano 76
3-7 Esfuerzo tridimensional general 82
3-8 Deformación unitaria elástica 83
3-9 Esfuerzos uniformemente distribuidos 84
3-10 Esfuerzos normales para vigas en flexión 85
3-11 Esfuerzos cortantes para vigas en flexión 90
3-12 Torsión 95
3-13 Concentración del esfuerzo 105
3-14 Esfuerzos en cilindros presurizados 107
3-15 Esfuerzos en anillos rotatorios 110
3-16 Ajustes a presión y por contracción 110
3-17 Efectos de la temperatura 111
3-18 Vigas curvas en flexión 112
3-19 Esfuerzos de contacto 117
3-20 Resumen 121
Problemas 121
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4
Deflexión y rigidez
1414-1 Constantes de resorte 142
4-2 Tensión, compresión y torsión 143
4-3 Deflexión debida a flexión 144
4-4 Métodos para calcular la deflexión en vigas 146
4-5 Cálculo de la deflexión en vigas por superposición 147
4-6 Cálculo de la deflexión de una viga por funciones de singularidad 150
4-7 Energía de deformación 156
4-8 Teorema de Castigliano 158
4-9 Deflexión de elementos curvos 163
4-10 Problemas estáticamente indeterminados 168
4-11 Elementos sometidos a compresión-general 173
4-12 Columnas largas con carga centrada 173
4-13 Columnas de longitud intermedia con carga centrada 176
4-14 Columnas con carga excéntrica 176
4-15 Puntales o elementos cortos sometidos a compresión 180
4-16 Estabilidad elástica 182
4-17 Choque e impacto 183
4-18 Cargas aplicadas en forma súbita 184
Problemas 186
Parte 2 Prevención de fallas 204
5
Fallas resultantes de carga
estática
2055-1 Resistencia estática 208
5-2 Concentración del esfuerzo 209
5-3 Teorías de falla 211
5-4 Teoría del esfuerzo cortante máximo para materiales dúctiles 211
5-5 Teoría de la energía de distorsión para materiales dúctiles 213
5-6 Teoría de Mohr-Coulomb para materiales dúctiles 219
5-7 Resumen de fallas para materiales dúctiles 222
5-8 Teoría del esfuerzo normal máximo para materiales frágiles 226
5-9 Modificaciones a la teoría de Mohr para materiales frágiles 227
5-10 Resumen de fallas de materiales frágiles 229
5-11 Selección de criterios de falla 230
5-12 Introducción a la mecánica de la fractura 231
5-13 Análisis estocástico 240
5-14 Ecuaciones de diseño importantes 246
Problemas 248
6
Fallas por fatiga resultantes
de carga variable
2576-1 Introducción a la fatiga en metales 258
6-2 Enfoque de la falla por fatiga en el análisis y el diseño 264
6-3 Métodos de la fatiga-vida 265
6-4 Método del esfuerzo-vida 265
6-5 Método de la deformación-vida 268
6-6 Método mecánico de la fractura lineal-elástica 270
6-7 Límite de resistencia a la fatiga 274
6-8 Resistencia a la fatiga 275
6-9 Factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga 278
6-10 Concentración del esfuerzo y sensibilidad a la muesca 287
6-11 Caracterización de esfuerzos fluctuantes 292
6-12 Criterios de la falla por fatiga ante esfuerzos variables 295
6-13 Resistencia a la fatiga por torsión bajo esfuerzos fluctuantes 309
6-14 Combinaciones de modos de carga 309
6-15 Esfuerzos variables y fluctuantes; daño por fatiga acumulada 313
6-16 Resistencia a la fatiga superficial 319
6-17 Análisis estocástico 322
6-18 Resumen de ecuaciones de diseño importantes para el método del esfuerzo-vida 336
Problemas 340
Parte 3 Diseño de elementos mecánicos 346
7
Ejes, flechas y sus
componentes
3477-1 Introducción 348
7-2 Materiales para fabricar ejes 348
7-3 Configuración del eje 349
7-4 Diseño de ejes para el esfuerzo 354
7-5 Consideraciones sobre deflexión 367
7-6 Velocidades críticas de ejes 371
7-7 Componentes diversos de los ejes 376
7-8 Límites y ajustes 383
Problemas 388
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8
Tornillos, sujetadores y
diseño de uniones no
permanentes
3958-1 Normas y definiciones de roscas 396
8-2 Mecánica de los tornillos de potencia 400
8-3 Sujetadores roscados 408
8-4 Uniones: rigidez del sujetador 410
8-5 Uniones: rigidez del elemento 413
8-6 Resistencia del perno 417
8-7 Uniones a tensión: la carga externa 421
8-8 Relación del par de torsión del perno con la tensión del perno 422
8-9 Uniones a tensión cargada en forma estática con precarga 425
8-10 Uniones con empaque 429
8-11 Carga por fatiga de uniones a tensión 429
8-12 Uniones con pernos y remaches cargadas en cortante 435
Problemas 443
9
Soldadura,
adhesión
y diseño de uniones
permanentes
4579-1 Símbolos de soldadura 458
9-2 Soldaduras a tope y de filete 460
9-3 Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a torsión 464
9-4 Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexión 469
9-5 Resistencia de las uniones soldadas 471
9-6 Carga estática 474
9-7 Carga por fatiga 478
9-8 Soldadura por resistencia 480
9-9 Uniones con adhesivo 480
Problemas 489
10 Resortes
mecánicos
49910-1 Esfuerzos en resortes helicoidales 500
10-2 Efecto de curvatura 501
10-3 Deflexión de resortes helicoidales 502
10-4 Resortes de compresión 502
10-5 Estabilidad 504
10-6 Materiales para resortes 505
10-7 Diseño de resortes helicoidales de compresión para servicio estático 510
10-8 Frecuencia crítica de resortes helicoidales 516
10-9 Carga por fatiga de resortes helicoidales a compresión 518
10-10 Diseño de un resorte helicoidal de compresión para carga por fatiga 521
10-11 Resortes de extensión 524
10-12 Resortes de espiras helicoidales de torsión 532
10-13 Resortes Belleville 539
10-14 Resortes diversos 540
10-15 Resumen 542
Problemas 542
11
Cojinetes de contacto
rodante
54911-1 Tipos de cojinetes 550
11-2 Vida de los cojinetes 553
11-3 Efecto carga-vida del cojinete a confiabilidad nominal 554
11-4 Supervivencia del cojinete: confiabilidad contra vida 555
11-5 Relación carga-vida-confiabilidad 557
11-6 Cargas combinadas, radial y de empuje 559
11-7 Carga variable 564
11-8 Selección de cojinetes de bolas y de rodillos cilíndricos 568
11-9 Selección de cojinetes de rodillos cónicos 571
11-10 Evaluación del diseño de cojinetes de contacto rodante seleccionados 582
11-11 Lubricación 586
11-12 Montaje y alojamiento 587
Problemas 591
12
Cojinetes de contacto
deslizante y lubricación
59712-1 Tipos de lubricación 598
12-2 Viscosidad 599
12-3 Ecuación de Petroff 601
12-4 Lubricación estable 603
12-5 Lubricación de película gruesa 604
12-6 Teoría hidrodinámica 605
12-7 Consideraciones de diseño 609
12-8 Relaciones entre las variables 611
12-9 Condiciones de estado estable en cojinetes autocontenidos 625
12-10 Holgura 628
12-11 Cojinetes con lubricación a presión 630
12-12 Cargas y materiales 636
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12-13 Tipos de cojinetes 638
12-14 Cojinetes de empuje 639
12-15 Cojinetes de lubricación límite 640
Problemas 649
13 Engranes:
descripción
general
65313-1 Tipos de engranes 654
13-2 Nomenclatura 655
13-3 Acción conjugada 657
13-4 Propiedades de la involuta 658
13-5 Fundamentos 658
13-6 Relación de contacto 664
13-7 Interferencia 665
13-8 Formación de dientes de engranes 667
13-9 Engranes cónicos rectos 670
13-10 Engranes helicoidales paralelos 671
13-11 Engranes de tornillo sinfín 675
13-12 Sistemas de dientes 676
13-13 Trenes de engranes 678
13-14 Análisis de fuerzas: engranes rectos 685
13-15 Análisis de fuerzas: engranes cónicos 689
13-16 Análisis de fuerzas: engranes helicoidales 692
13-17 Análisis de fuerzas: engranes de tornillo sinfín 694
Problemas 700
14
Engranes rectos y
helicoidales
71314-1 Ecuación de flexión de Lewis 714
14-2 Durabilidad de la superficie 723
14-3 Ecuaciones del esfuerzo AGMA 725
14-4 Ecuaciones de resistencia AGMA 727
14-5 Factores geométricos I y J (ZI y YJ) 731 14-6 Coeficiente elástico Cp (ZE) 736 14-7 Factor dinámico Kv 736
14-8 Factor de sobrecarga Ko 738
14-9 Factores de la condición superficial Cf (ZR) 738
14-10 Factor de tamaño Ks 739 14-11 Factor de distribución de la carga
Km (KH) 739
14-12 Factor de relación de la dureza CH 741
14-13 Factores de los ciclos de esfuerzos YN y ZN 742
14-14 Factor de confiabilidad KR (YZ) 743
14-15 Factor de temperatura KT (Y θ) 744
14-16 Factor de espesor del aro KB 744
14-17 Factores de seguridad SF y SH 745
14-18 Análisis 745
14-19 Diseño de un acoplamiento de engranes 755
Problemas 760
15
Engranes cónicos y de
tornillo sinfín
76515-1 Engranes cónicos: descripción general 766
15-2 Esfuerzos y resistencias en engranes cónicos 768
15-3 Factores de la ecuación AGMA 771
15-4 Análisis de engranes cónicos rectos 783
15-5 Diseño de un acoplamiento de engranes cónicos rectos 786
15-6 Engranes de tornillo sinfín: ecuación AGMA 789
15-7 Análisis de un engrane de tornillo sinfín 793
15-8 Diseño del acoplamiento de un engrane y un tornillo sinfín 797
15-9 Carga del desgaste de Buckingham 800
Problemas 801
16
Embragues, frenos, coples y
volantes
80516-1 Análisis estático de embragues y frenos 807
16-2 Embragues y frenos de tambor de expansión interna 812
16-3 Embragues y frenos de contracción externa 820
16-4 Embragues y frenos de banda 824
16-5 Embragues axiales de fricción por contacto 825
16-6 Frenos de disco 829
16-7 Embragues y frenos cónicos 833
16-8 Consideraciones sobre energía 836
16-9 Aumento de temperatura 837
16-10 Materiales de fricción 841
16-11 Otros tipos de embragues y coples 844
16-12 Volantes de inercia 846
Problemas 851
17 Elementos
mecánicos
flexibles
85917-1 Bandas 860
17-2 Transmisiones de banda plana o redonda 863
17-3 Bandas en V 878
17-4 Bandas de sincronización 886
17-5 Cadenas de rodillos 887
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17-6 Cables metálicos 896
17-7 Ejes flexibles 904
Problemas 905
18
Caso de estudio: transmisión
de potencia
91318-1 Secuencia de diseño para transmisión de potencia 915
18-2 Requisitos de potencia y par de torsión 916
18-3 Especificaciones de engranes 916
18-4 Diseño del eje 923
18-5 Análisis de fuerzas 925
18-6 Selección del material del eje 925
18-7 Diseño del eje para esfuerzos 926
18-8 Diseño del eje para deflexión 926
18-9 Selección de cojinetes 927
18-10 Selección de cuña y anillo de retención 928
18-11 Análisis final 931
Problemas 931
Parte 4 Herramientas de análisis 932
19
Análisis de elementos
finitos
93319-1 Método del elemento finito 935
19-2 Geometrías del elemento 937
19-3 Proceso de solución del elemento finito 939
19-4 Generación de malla 942
19-5 Aplicación de carga 944
19-6 Condiciones de frontera 945
19-7 Técnicas de modelado 946
19-8 Esfuerzos térmicos 949
19-9 Carga de pandeo crítica 949
19-10 Análisis de vibración 951
19-11 Resumen 952
Problemas 954
20 Consideraciones
estadísticas
95720-1 Variables aleatorias 958
20-2 Media aritmética, variancia y desviación estándar 960
20-3 Distribuciones de probabilidad 965
20-4 Propagación del error 972
20-5 Regresión lineal 974
Problemas 977
Apéndices
A
Tablas
útiles
983B
Respuestas a problemas
seleccionados
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Objetivos
Este libro se escribió para estudiantes que inician su estudio del diseño en ingeniería mecá-nica. El enfoque está en la combinación del desarrollo fundamental de conceptos con la especificación práctica de componentes. Los estudiantes deberán encontrar que este libro los conduce de manera inherente a familiarizarse tanto con las bases para tomar decisiones, como también con las normas para componentes industriales. Por esta razón, cuando los estu-diantes pasen a ser ingenieros practicantes, se darán cuenta que este texto es indispensable como referencia. Los objetivos del texto son:
• Cubrir los conceptos básicos del diseño de máquinas, incluyendo el proceso de diseño, la
ingeniería mecánica y de materiales, la prevención de fallas bajo carga estática y variable, así como también las características de los principales tipos de elementos mecánicos.
• Ofrecer un enfoque práctico sobre el tema a través de una gran variedad de aplicaciones
reales y ejemplos.
• Estimular al lector para que vincule el diseño con el análisis.
• Incentivar al lector para que relacione los conceptos fundamentales con la especificación
de componentes prácticos.
Lo nuevo en esta edición
La octava edición ha sido mejorada en los siguientes aspectos significativos:
• Nuevo capítulo sobre el método del elemento finito. En respuesta a muchas peticiones de los revisores, en esta edición se presenta un capítulo introductorio sobre el método del elemento finito. El objetivo de este capítulo es proporcionar una visión general de la termi-nología, el método, las capacidades y las aplicaciones de esta herramienta en el entorno del diseño.
• Nuevo estudio de caso de transmisión. En ocasiones, la separación tradicional de los temas en capítulos hace que los estudiantes se pierdan cuando llega el momento de integrar temas dependientes en un proceso de diseño más grande. Por esa razón se incorpora un extenso caso de estudio a través de ejemplos resueltos en múltiples capítulos, lo cual culmina con un nuevo capítulo en el que se analiza y se demuestra la integración de las partes en un proceso de diseño completo. Los problemas resueltos que son relevantes para el caso de estudio, se presentan sobre un fondo de papel de ingeniería, para poder identificarlos con rapidez como parte del caso de estudio.
• Cobertura revisada y expandida del diseño de ejes. Como complemento al nuevo caso de estudio de transmisión se tiene un capítulo significativamente revisado y expandido que se enfoca en aspectos relevantes para el diseño de ejes. El objetivo de ello es proporcionar una presentación significativa que permita a un nuevo diseñador pasar a través de todo el proceso de diseño de ejes: desde la configuración general del eje hasta la especificación de sus dimensiones. Ahora, este capítulo se ha colocado inmediatamente después del capítulo sobre fatiga, lo que brinda la oportunidad de una transición continua desde el tema de fatiga hasta su aplicación en el diseño de ejes.
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• Disponibilidad de información para completar los detalles de un diseño. Se hace un énfasis adicional en asegurar que el diseñador sea capaz de llevar a cabo el proceso hasta su termi-nación. Mediante la asignación de problemas de diseño más grandes en clase, los autores han identificado los puntos en los que a los estudiantes les hacen falta ciertos detalles. Por ejemplo, ahora se proporciona información para detalles tales como la especificación de cuñas que transmitan par de torsión, los factores de concentración del esfuerzo para cuñeros y ranuras de anillos de retención, y las deflexiones permisibles para engranes y cojinetes. Se hace énfasis en el uso de catálogos por Internet y dispositivos de búsqueda de componentes de ingeniería para la obtención de especificaciones de componentes actuales.
• Perfeccionamiento de la presentación. La cobertura del material continúa perfeccionán-dose para enfocarse en la presentación directa del desarrollo del concepto y un procedi-miento de diseño que sea claro para los estudiantes.
Cambios y reorganización del contenido
En la parte final del libro, se ha agregado una nueva parte 4, Herramientas de análisis, para
incluir el nuevo capítulo sobre elementos finitos y el capítulo sobre consideraciones esta-dísticas. Con base en una encuesta entre profesores, el consenso fue mover estos capítulos al final del libro donde estarán disponibles para aquellos profesores que deseen usarlos. La reubicación del capítulo sobre estadística ocasiona que se renumeren los capítulos del 2 al 7. Como el capítulo sobre ejes se ha reubicado inmediatamente después del capítulo de fatiga, los capítulos sobre componentes (del 8 al 17) mantienen su misma numeración. A continua-ción se describe la nueva organizacontinua-ción, y se hacen comentarios breves sobre los cambios en el contenido.
Parte 1: Fundamentos
En la parte 1 se proporciona una introducción lógica y unificada al material básico necesario para el diseño de máquinas. Los capítulos de la parte 1 han recibido una limpieza completa para perfeccionar y agudizar el enfoque, así como para eliminar confusiones.
• Capítulo 1, Introducción. Se ha retirado cierto material obsoleto e innecesario. Una nueva sección sobre especificación del problema introduce el caso de estudio de transmisión.
• Capítulo 2, Materiales. Se introduce información nueva sobre la selección de materiales en un proceso de diseño. Se incluyen las gráficas de Ashby, a las cuales se hace referencia como herramientas de diseño.
• Capítulo 3, Análisis de carga y esfuerzo. Se han reescrito varias secciones para mejorar la claridad. Se aborda específicamente la flexión en dos planos y se proporciona un problema de ejemplo.
• Capítulo 4, Deflexión y rigidez. Se han reescrito varias secciones para mejorar la claridad. Se incluye un nuevo problema de ejemplo para la deflexión de ejes escalonados. Se introduce una nueva sección sobre la estabilidad elástica de elementos estructurales en compresión. Parte 2: Prevención de fallas
Esta sección cubre las fallas por cargas estáticas y dinámicas. Los capítulos siguientes han recibido una limpieza y clarificación extensa, enfocada en los estudiantes de diseño.
• Capítulo 5, Fallas resultantes de carga estática. Además de la extensa limpieza realizada para mejorar la claridad, se proporciona un resumen de las ecuaciones de diseño más im-portantes al final del capítulo.
• Capítulo 6, Fallas resultantes por carga variable. Se depuró el material confuso sobre la ob-tención y el uso del diagrama S-N. Se condensan los múltiples métodos para obtener la sen-sibilidad a la muesca. Se rescribió la sección sobre combinación de cargas para obtener una
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mayor claridad. Se proporciona un resumen del capítulo con una visión general del proceso de análisis y de las ecuaciones de diseño más importantes usadas en el análisis de la fatiga. Parte 3: Diseño de elementos mecánicos
En la parte 3 se cubre el diseño de componentes de máquina específicos. Todos los capítulos han recibido una limpieza general. El capítulo sobre ejes se ha trasladado al inicio de la sec-ción. A continuación se describe la disposición de los capítulos, así como los cambios más significativos:
• Capítulo 7, Ejes y flechas. Este capítulo se ha expandido de manera significativa y se ha reescrito para cubrir por completo el diseño de ejes. Los profesores que anteriormente no cubrían de manera específica el capítulo sobre ejes se ven estimulados a usar este capítulo inmediatamente después de estudiar la falla por fatiga. El diseño de un eje constituye una progresión natural desde la sección de prevención de fallas hasta su aplicación en com-ponentes. Este capítulo es una parte esencial del nuevo caso de estudio de transmisión. El material sobre tornillos prisioneros, cuñas, pasadores y anillos de retención, que antes se ubicaba en el capítulo sobre uniones empernadas, se ha trasladado a este capítulo. El material sobre límites y ajustes, que antes se encontraba en el capítulo de estática, se ha reubicado en este capítulo.
• Capítulo 8, Tornillos, sujetadores y diseño de uniones no permanentes. La sección sobre tornillos prisioneros, cuñas y pasadores, se ha trasladado de este capítulo al capítulo 7. El material sobre uniones empernadas y remachadas a cortante ha regresado a este capítulo.
• Capítulo 9, Soldadura, adhesión y diseño de uniones permanentes. La sección sobre unio-nes empernadas y remachadas cargadas en cortante se ha trasladado al capítulo 8.
• Capítulo 10, Resortes mecánicos.
• Capítulo 11, Cojinetes de contacto rodante.
• Capítulo 12, Cojinetes de contacto deslizante y lubricación.
• Capítulo 13, Engranes: descripción general. Se incluyen nuevos problemas de ejemplo para abordar el diseño de trenes de engranes compuestos para lograr razones de engrane específicas. Se clarifica el análisis de la relación entre el par de torsión, la velocidad y la potencia.
• Capítulo 14, Engranes rectos y helicoidales. Se ha revisado la norma actual AGMA (ANSI/ AGMA 2001-D04) para asegurar la actualidad de la información en los capítulos sobre en-granes. Todas las referencias de este capítulo están renovadas para reflejar la norma actual.
• Capítulo 15, Engranes cónicos y de tornillo sinfín.
• Capítulo 16, Embragues, frenos, coples y volantes de inercia.
• Capítulo 17, Elementos mecánicos flexibles.
• Capítulo 18, Estudio de caso de transmisión de potencia. Este nuevo capítulo proporciona un estudio de caso completo de una transmisión de potencia de doble reducción. El enfoque está en proporcionar un ejemplo para los estudiantes de diseño del proceso de integración de los temas incluidos en múltiples capítulos. Los profesores se ven motivados a incluir una de las variaciones de este caso de estudio como un proyecto de diseño en el curso. La re-troalimentación del estudiante muestra de manera consistente que este tipo de proyecto es uno de los aspectos más valiosos de un primer curso en diseño de máquinas. Este capítulo puede utilizarse en forma de ayuda para los estudiantes que trabajan en un diseño similar. Parte 4: Herramientas de análisis
En la parte 4 se incluye un nuevo capítulo sobre métodos de elemento finito, y una nueva ubicación para el capítulo sobre consideraciones estadísticas. Los profesores pueden hacer referencia a estos capítulos cuando así lo requieran.
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• Capítulo 19, Análisis del elemento finito. La intención de este capítulo es proporcionar una introducción al método del elemento finito, y particularmente a su aplicación al proceso de diseño de máquinas.
• Capítulo 20, Consideraciones estadísticas. Este capítulo se reubicó y organizó como una herramienta para los usuarios que deseen incorporar conceptos estadísticos en el proce-so de diseño de máquinas. Este capítulo deberá revisarse cuando se estudien las secciones 5-13, 6-17 o el capítulo 11.
Materiales de apoyo
Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más información y conocer la política de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill.
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xxi Los autores desean reconocer a los múltiples revisores cuya retroalimentación ha contribuido
al éxito de esta nueva edición de Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley:
Revisores
Om P. Agrawal, Southern Illinois University
Stanton C. Apple, Arkansas Tech University
Ara Arabyan, University of Arizona
Nagaraj Arakere, University of Florida
Eric Austin, Clemson University
Haim Baruh, Rutgers University
Abdel Bayoumi, University of South Carolina
Henry R. Busby, The Ohio State University
Larry W. Carpenter, Bradley University
Tsuchin Chu, Southern Illinois University
Masood Ebrahimi, Virginia State University
Raghu Echempati, Kettering University
Kambiz Farhang, Southern Illinois University
Tony Farquhar, University of Maryland-Baltimore County
Forrest Flocker, Tri-State University, Angola, Indiana
J. Earl Foster, University of Illinois-Chicago
Paul E. Funk, University of Evansville
Max Gassman, Iowa State University
Jenn-Terng Gau, Northern Illinois University
Slade Gellin, Buffalo State University
Jon S. Gerhardt, University of Akron
J. Darrell Gibson, Rose-Hulman Institute of Technology
James Glancey, University of Delaware
Vladimir Glozman, California State Polytechnic University-Pomona
Itzhak Green, Georgia Institute of Technology
Thomas R. Grimm, Michigan Tech University
Karl H. Grote, California State University, Long Beach
A.H. Hagedoorn, University of Central Florida
Mohamed Samir Hefzy, University of Toledo
Michael Histand, Colorado State University
Dennis W. Hong, Virginia Tech
Vinod K. Jain, University of Dayton
Duane Jardine, University of New Orleans
Richard F. Johnson, Montana College of Mineral Science & Technology
E. William Jones, Mississippi State University
Zella L. Kahn-Jetter, Manhattan College
Frank Kelso, University of Minnesota
Michael R. Kendall, St. Martin’s University
Victor Kosmopoulos, The College of New Jersey
John D. Landes, University of Tennessee
David Lascurain, Pensacola Christian College
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Michael Latcha, Oakland University
John Lee, McGill University
Chi-Wook Lee, University of the Pacifi c
Steven Y. Liang, Georgia Institute of Technology
Liwei Lin, University of California at Berkeley
John Leland, University of Nevada Reno
Kemper Lewis. SUNY Buffalo
Kerr-Jia Lu. George Washington University
Stan Lukowski, University of Wisconsin-Platteville
Michael Magill, George Fox University
Ajay Mahajan, Southern Illinois University
Enayat Mahajerin, Saginaw Valley State University
Ronald Mann, University of South Florida
Noah Manring, University of Missouri
Dan Marghitu, Auburn University
Roy McGrann, Binghamton University
David McStravick, Rice University
Morteza M. Mehrabadi, Tulane University
Peter Mente, North Carolina State University
Clint Morrow, Florida Institute of Technology
Walied Moussa, University of Alberta
Joe Musto, Milwaukee School of Engineering
Byron L. Newberry, Oklahoma Christian University
Efstratios Nikolaidis, University of Toledo
Edwin M. Odom, University of Idaho
Marcia K. O’Malley, Rice University
Robert Paasch, Oregon State University
Stephen J. Piazza, Penn State University
Heidi-Lynn Ploeg, University of Wisconsin
Ramamurthy Prabhakaran, Old Dominion University
William Pratt. Southern Utah University
Govindappa Puttaiah, West Virginia University Institute of Technology
Hamid Rad, Washington State University-Vancouver
M. K. Ramasubramanian, North Carolina State University
Michael Raulli, Villanova University
Hassan Rejali, California State University, Pomona
Michael Rider, Ohio Northern University
John Ridgely, California Polytechnic State University, San Luis Obispo
Don Riley, Walla Walla College
James R. Rinderle, University of Massachusetts-Amherst
Greg Rohrauer, University of Windsor
Ali Sadegh, The City College of New York
Akhtar Safder, Bluefi eld State College
Igor Sevostianov, New Mexico State University
Paul S. Sherman, Arkansas State University
Andres Soom, SUNY Buffalo
J.K. Spelt, University of Toronto
John P. H. Steele, Colorado School of Mines
John Steffen, Valparaiso University
B.J. Stephens, University of Alabama-Birmingham
Michael Strange, San Francisco State University
Robert Sturges, Virginia Polytechnic Institute
Joshua D. Summers, Clemson University
Greg Thompson, West Virginia University
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Horacio Vasquez, The University of Texas-Pan American
Harold Walling, New Mexico Institute of Mining & Technology
M A Wahab, Louisiana State University
Wayne Whaley, Oklahoma Christian University
X.J. Xin, Kansas State University
Maria Yang, University of Southern California
Steve Yurgartis, Clarkson University
Wayne Zemke, California State University-Pomona
Jiaxin Zhao, Indiana Univeristy-Purdue University Fort Wayne
Mohammed Zikry, North Carolina State University
Asimismo, deseamos expresar nuestro agradecimiento a todos aquellos que con sus valiosos comentarios contribuyeron a enriquecer la presente edición en español:
Cuitlahuac Osornio Correa, Universidad Iberoamericana, campus Santa Fe,
Ciudad de México
Oscar Cervantes, Universidad Panamericana, Ciudad de México
Arturo Aguirre, Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla
Rosendo Reyes Rosales, Universidad La Salle, Ciudad de México
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xxv Ésta es una lista de símbolos comunes usados en el diseño de máquinas y en este libro. El uso especializado es un tema que a menudo obliga a que se utilicen subíndices y superíndi-ces, así como también sufijos y prefijos. Para que la lista sea suficientemente breve y útil, se muestran los principales símbolos. Vea la tabla 14-1, pp. 715-716 para los símbolos de los engranes rectos y helicoidales, y la tabla 15-1 pp. 769-770 para los símbolos de los engranes cónicos.
A Área, coeficiente
A Variable de área
a Distancia, constante de regresión
aˆ Estimación de la constante de regresión
a Variable de distancia
B Coeficiente
Bhn Dureza Brinell
B Variable
b Distancia, parámetro de forma de Weibull, número de intervalo, constante de
regresión, ancho
bˆ Estimación de la constante de regresión
b Variable de distancia
C Capacidad de carga básica, constante de junta atornillada, distancia entre ejes,
coeficiente de variación, condición de extremo de columna, factor de correc-ción, capacidad del calor específico, índice de resorte
c Distancia, amortiguamiento viscoso, coeficiente de velocidad
FDA Función de distribución acumulada
CDV Coeficiente de variación
c Variable de distancia
D Diámetro de la hélice
d Diámetro, distancia
E Módulo de elasticidad, energía, error
e Distancia, excentricidad, eficiencia, base logarítmica neperiana
F Fuerza, dimensión fundamental de la fuerza
f Coeficiente de fricción, frecuencia, función
cdm Cifra de mérito
G Módulo de elasticidad en torsión
g Aceleración debida a la gravedad, función
H Calor, potencia
HB Dureza Brinell
HRC Dureza Rockwell escala C
h Distancia, espesor de película
បCR Coeficiente global combinado de transferencia de calor por convección y
radiación
I Integral, impulso lineal, momento de inercia de la masa, segundo momento del
área
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i Índice
i Vector unitario en la dirección x
J Equivalente mecánico del calor, segundo momento polar del área, factor
geométrico
j Vector unitario en la dirección y
K Factor de servicio, factor de concentración del esfuerzo, factor de aumento del
esfuerzo, coeficiente de par de torsión
k Factor de modificación del límite de fatiga de Marin, relación de resorte
k Variable k, vector unitario en la dirección z
L Longitud, vida, dimensión fundamental de la longitud
LN Distribución log-normal
l Longitud
M Dimensión fundamental de la masa, momento
M Vector del momento, variación del momento
m Masa, pendiente, exponente de endurecimiento por deformación
N Fuerza normal, número, velocidad rotacional
N Distribución normal
n Factor de carga, velocidad rotacional, factor de seguridad
nd Factor de diseño
P Fuerza, presión
FDP Función de densidad de la probabilidad
p Paso, presión, probabilidad
Q Primer momento del área, fuerza imaginaria, volumen
q Carga distribuida, sensibilidad a la muesca
R Radio, fuerza de reacción, confiabilidad, dureza Rockwell, relación de esfuerzo
R Vector fuerza de reacción
r Coeficiente de correlación, radio
r Vector distancia
S Número de Sommerfeid, resistencia
S Variable S
s Distancia, desviación estándar de la muestra, esfuerzo
T Temperatura, tolerancia, par de torsión, dimensión fundamental del tiempo
T Vector del par de torsión, variación del par de torsión
t Distancia, estadístico t de Student, tiempo, tolerancia
U Energía de deformación
U Distribución uniforme
u Energía de deformación por unidad de volumen
V Velocidad lineal, fuerza cortante
v Velocidad lineal
W Factor de trabajo en frío, carga, peso
W Distribución Weibull
w Distancia, separación, intensidad de carga
w Vector distancia
X Coordenada, número redondeado
x Coordenada, valor real de un número, parámetro Weibull
x variación de x
Y Coordenada
y Coordenada, deflexión
y Variable y
Z Coordenada, módulo de sección, viscosidad
z Desviación estándar de la distribución normal unitaria
z Variable z
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α Coeficiente, coeficiente de dilatación térmica lineal, condición de extremo para resortes, ángulo de la rosca
β Ángulo de cojinete, coeficiente
Δ Cambio, deflexión
δ Desviación, alargamiento
Relación de excentricidad, deformación unitaria en ingeniería (normal)
⑀ Distribución normal con una media de 0 y una desviación estándar de s
ε Deformación real o logarítmica
Γ Función gamma
γ Ángulo de paso, deformación por cortante, peso específico
λ Relación de esbeltez para resortes
Unidad log-normal con una media de 1 y una desviación estándar igual al
CDV
μ Viscosidad absoluta, media de la población
ν Relación de Poisson
ω Velocidad angular, frecuencia circular
φ Ángulo, longitud de onda
ψ Integral de la pendiente
ρ Radio de curvatura
σ Esfuerzo normal
σ⬘ Esfuerzo de von Mises
S Variable del esfuerzo normal
σˆ Desviación estándar
τ Esfuerzo cortante
Variable del esfuerzo cortante
θ Ángulo, parámetro característico de Weibull
¢ Costo por peso unitario
$ Costo
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Diseño en
ingeniería
mecánica
de Shigley
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2 PARTE UNO Fundamentos
PARTE
1
Fundamentos
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CAPÍTULO 1 Introducción al diseño en la ingeniería mecánica 3
3
Panorama del capítulo
1-1 El diseño 4
1-2 El diseño en la ingeniería mecánica 5
1-3 Fases e interacciones del proceso de diseño 5
1-4 Herramientas y recursos de diseño 8
1-5 Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseño 10
1-6 Normas y códigos 12
1-7 Economía 12
1-8 Seguridad y responsabilidad legal del producto 15
1-9 Esfuerzo y resistencia 15
1-10 Incertidumbre 16
1-11 Factor de diseño y factor de seguridad 17
1-12 Confiabilidad 18
1-13 Dimensiones y tolerancias 19
1-14 Unidades 21
1-15 Cálculos y cifras significativas 22
1-16 Especificaciones del estudio del caso transmisión de potencia 23
1
Introducción al diseño
en la ingeniería mecánica
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El diseño mecánico es una tarea compleja que requiere muchas habilidades. Es necesario sub-dividir grandes relaciones en una serie de tareas simples. La complejidad del tema requiere una secuencia en la que las ideas se presentan y se revisan.
Primero se aborda la naturaleza del diseño en general, luego el diseño en la ingeniería mecánica en particular. El diseño es un proceso iterativo con muchas fases interactivas. Exis-ten muchos recursos para apoyar al diseñador, entre los que se incluyen muchas fuentes de información y una gran abundancia de herramientas de diseño por computadora. El ingeniero de diseño no sólo necesita desarrollar competencia en su campo, sino que también debe cul-tivar un fuerte sentido de responsabilidad y ética de trabajo profesional.
Hay funciones que deben realizarse mediante códigos y normas, por la siempre presente economía, por seguridad y por consideraciones de responsabilidad legal del producto. La supervivencia de un componente mecánico está frecuentemente relacionada con el esfuerzo y la resistencia. Los aspectos de incertidumbre siempre han estado presentes en el diseño en la ingeniería y se abordan de manera típica mediante el factor de diseño y el factor de seguridad, ya sea en la forma determinista (absoluta) o en un sentido estadístico. El enfoque estadístico
se refiere a la confiabilidad del diseñoy necesita buenos datos estadísticos.
En el diseño mecánico existen otras consideraciones que incluyen las dimensiones y las tolerancias, unidades y cálculos.
Este libro consta de cuatro partes. La parte 1, Fundamentos, comienza con la explicación
de algunas de las diferencias entre el diseño y el análisis, y presenta diversas nociones y enfo-ques fundamentales del diseño. Continúa con tres capítulos donde se repasan las propiedades de los materiales, el análisis de esfuerzos y el análisis de la rigidez y de la deflexión, que representan los principios clave necesarios para el resto del libro.
La parte 2, Prevención de fallas, consta de dos capítulos acerca de la prevención de fallas
en partes mecánicas. Por qué fallan las máquinas y cómo pueden diseñarse para prevenir la falla son preguntas difíciles y por lo tanto se requieren dos capítulos para responderlas; uno sobre la prevención de la falla debida a cargas estáticas, y el otro sobre la prevención de la falla por fatiga provocada por cargas cíclicas que varían con el tiempo.
En la parte 3, Diseño de elementos mecánicos, el material de las partes 1 y 2 se aplica al
análisis, selección y diseño de elementos mecánicos específicos, como ejes, sujetadores, par-tes soldadas, resorpar-tes, cojinepar-tes de contacto de bolas, cojinepar-tes de película, engranes, bandas, cadenas y cables.
En la parte 4, Herramientas de análisis, se proporcionan introducciones a dos
impor-tantes métodos que se utilizan en el diseño mecánico: análisis del elemento finito y análisis estadístico. Éste es material de estudio opcional, pero algunas secciones y ejemplos de las partes 1, 2 y 3 demuestran el uso de estas herramientas.
Hay dos apéndices al final del libro. El apéndice A contiene muchas tablas útiles referen-ciadas a lo largo del texto. El apéndice B presenta las respuestas a algunos de los problemas que se encuentran al final de los capítulos.
1-1
El diseño
Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad específica o resolver un problema. Si el plan resulta en la creación de algo físicamente real, entonces el producto debe ser funcio-nal, seguro, confiable, competitivo, útil, que pueda fabricarse y comercializarse.
El diseño es un proceso innovador y altamente iterativo. También es un proceso de toma de decisiones. Algunas veces éstas deben tomarse con muy poca información, en otras con apenas la cantidad adecuada y en ocasiones con un exceso de información parcialmente con-tradictoria. Algunas veces las decisiones se toman de manera tentativa, por lo cual es conve-niente reservarse el derecho de hacer ajustes a medida que se obtengan más datos. Lo impor-tante es que el diseñador en ingeniería debe sentirse personalmente cómodo cuando ejerce la función de toma de decisiones y de resolución de problemas.
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El diseño es una actividad de intensa comunicación en la cual se usan tanto palabras como imágenes y se emplean las formas escritas y orales. Los ingenieros deben comunicarse en forma eficaz y trabajar con gente de muchas disciplinas. Éstas son habilidades importantes y el éxito de un ingeniero depende de ellas.
Las fuentes personales de creatividad de un diseñador, la habilidad para comunicarse y la destreza para resolver problemas están entrelazadas con el conocimiento de la tecnología y sus principios fundamentales. Las herramientas de la ingeniería (como las matemáticas, la estadística, la computación, las gráficas y el lenguaje) se combinan para producir un plan, que cuando se lleva a cabo crea un producto funcional, seguro, confiable, competitivo, útil, que se puede fabricar y comercializar, sin importar quién lo construya o lo use.
1-2
El diseño en la ingeniería mecánica
Los ingenieros mecánicos están relacionados con la producción y el procesamiento de energía y con el suministro de los medios de producción, las herramientas de transporte y las técnicas de automatización. Las bases de su capacidad y conocimiento son extensas. Entre las bases disciplinarias se encuentran la mecánica de sólidos, de fluidos, la transferencia de masa y momento, los procesos de manufactura y la teoría eléctrica y de la información. El diseño en la ingeniería mecánica involucra todas las áreas que componen esta disciplina.
Los problemas reales se resisten a la especialización. Un simple muñón y cojinete involu-cran flujo de fluidos, transferencia de calor, fricción, transporte de energía, selección de ma-teriales, tratamientos termomecánicos, descripciones estadísticas, etc. La construcción debe respetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefacción, ventilación y de acondicio-namiento del aire son lo suficientemente especializadas que algunos hablan del diseño de la calefacción, ventilación y del acondicionamiento del aire como si estuvieran separados y fueran distintos del diseño en la ingeniería mecánica. En forma similar, algunas veces el dise-ño de motores de combustión interna, de turbo-maquinaria y de motores de reacción se con-sideran entidades discretas. La serie de adjetivos que siguen a la palabra diseño sólo es una ayuda para describir el producto. De manera similar, hay frases como diseño de máquinas, diseño de elementos de máquinas, diseño de componentes de máquinas, diseño de sistemas
y diseño de potencia hidráulica. Todas ellas son ejemplos un poco más enfocados del diseño
en la ingeniería mecánica. Se basan en las mismas fuentes de conocimiento, se organizan en forma similar y requieren habilidades semejantes.
1-3
Fases e interacciones del proceso de diseño
¿Qué es el proceso de diseño? ¿Cómo comienza? ¿El ingeniero simplemente se sienta en la silla de su escritorio con una hoja de papel en blanco y anota algunas ideas? ¿Qué sucede después? ¿Qué factores influyen o controlan las decisiones que deben tomarse? Por último, ¿cómo termina el proceso de diseño?
El proceso completo, de principio a fin, que a menudo se bosqueja como se muestra en la figura 1-1, comienza con la identificación de una necesidad y la decisión de hacer algo al respecto. Después de muchas iteraciones, termina con la presentación de los planes para sa-tisfacer la necesidad. De acuerdo con la naturaleza de la tarea de diseño, algunas fases de éste pueden repetirse durante la vida del producto, desde la concepción hasta la terminación. En las siguientes secciones se examinarán estos pasos del proceso de diseño con más detalle.
Por lo general, el proceso de diseño comienza con la identificación de unanecesidad.
Con frecuencia, el reconocimiento y la expresión de ésta constituyen un acto muy creativo, porque la necesidad quizá sólo sea una vaga inconformidad, un sentimiento de inquietud o la detección de que algo no está bien. A menudo la necesidad no es del todo evidente; el reconocimiento se acciona por una circunstancia adversa particular o por un conjunto de
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cunstancias aleatorias que se originan casi de manera simultánea. Por ejemplo, la necesidad de hacer algo acerca de una máquina de empaque de alimentos se manifiesta por el nivel de ruido, la variación en el peso del paquete y por alteraciones ligeras pero perceptibles en la calidad del paquete o envoltura.
Hay una diferencia notable entre el enunciado de la necesidad y la identificación del
pro-blema. La definición del problema es más específica y debe incluir todas las especificaciones
del objeto que va a diseñarse. Las especificaciones son las cantidades de entrada y salida, las características y dimensiones del espacio que el objeto debe ocupar y todas las limitaciones sobre estas cantidades. Puede considerarse al objeto que va a diseñarse como algo dentro de una caja negra. En este caso deben especificarse las entradas y salidas de la caja, junto con sus características y limitaciones. Las especificaciones definen el costo, la cantidad que se va a manufacturar, la vida esperada, el intervalo, la temperatura de operación y la confiabilidad. Los puntos obvios en las especificaciones son las velocidades, avances, limitaciones de la temperatura, el intervalo máximo, las variaciones esperadas en las variables, las limitaciones dimensionales y de peso, etcétera.
Hay muchas especificaciones implicadas que resultan del entorno particular del dise-ñador o de la naturaleza del problema en sí. Los procesos de manufactura disponibles, junto con las instalaciones de una cierta planta, constituyen restricciones a la libertad del diseñador y de aquí que sean parte de las especificaciones implicadas. Quizá una planta pequeña, por ejemplo, no posea maquinaria de trabajo en frío. Debido a que conoce esta circunstancia, el diseñador selecciona otros métodos de procesamiento de metal que se puedan realizar en la planta. Las habilidades de trabajo disponibles y la situación competitiva también constituyen restricciones implícitas. Cualquier cosa que limite la libertad de elección del diseñador signi-fica una restricción. Por ejemplo, muchos materiales y tamaños se incluyen en los catálogos del proveedor, pero no todos pueden conseguirse con facilidad y suelen sufrir de escasez. Además, la economía del inventario requiere que un fabricante tenga en existencia un número mínimo de materiales y tamaños. En la sección 1-16 se da un ejemplo de una especificación relativa a un caso de estudio de una transmisión de potencia que se presenta a lo largo de todo el texto.
Algunas veces, a la síntesis de un esquema que conecta elementos posibles del sistema
se le llama invención del concepto o diseño del concepto. Éste es el primer y más importante
paso en la tarea de la síntesis. Varios esquemas deben proponerse, investigarse y cuantificarse Reconocimiento
de la necesidad
Definición del problema
Síntesis
Análisis y optimización
Evaluación
Presentación
Iteración Figura 1-1
Fases del proceso de diseño que reconocen múltiples retroalimentaciones e iteraciones.
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en términos de medidas establecidas.1 A medida que el desarrollo del esquema progresa, se deben realizar análisis para evaluar si el desempeño del sistema es cuando menos satisfac-torio, y si lo es, qué tan bien se desempeñará. Los esquemas del sistema que no sobreviven al análisis se revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con potencial se optimizan para determinar el mejor desempeño del esquema. Los esquemas en competencia se compa-ran de manera que se pueda elegir el camino que conduzca al producto más competitivo. En
la figura 1-1 se muestra que la síntesis, el análisis y la optimización están relacionados en
forma íntima e iterativa.
Puede observarse, y debe destacarse, que el diseño es un proceso iterativo en el cual se procede a través de varios pasos, se evalúan los resultados y luego se regresa a una fase inicial del procedimiento. De esta manera es posible sintetizar varios componentes de un sistema, analizar y optimizarlos y regresar a la síntesis para ver qué efectos tiene sobre las partes restantes del sistema. Por ejemplo, el diseño de un sistema para transmitir potencia requiere que se preste atención al diseño y la selección de los elementos más pequeños que lo com-ponen (por ejemplo, engranes, cojinetes, eje). Sin embargo, como sucede con frecuencia en el diseño, estos componentes no son independientes. Con el propósito de diseñar el eje para el esfuerzo y la deflexión, es necesario conocer las fuerzas aplicadas. Si éstas se transmiten a través de engranes, es necesario conocer las especificaciones de éstos para determinar las fuerzas que se transmitirán hacia el eje. Pero los engranes en inventario se encuentran en el mercado con ciertos tamaños de diámetro interior, lo que requiere un conocimiento de los diámetros necesarios para introducir el eje. Resulta claro que deberán hacerse estimaciones gruesas para poder avanzar en el proceso, refinando e iterando hasta que se obtenga un diseño final que sea satisfactorio para cada componente individual así como para las especificaciones de diseño generales. A lo largo del texto se elaborará este proceso para el caso de estudio de un diseño de transmisión de potencia.
Tanto el análisis como la optimización requieren que se construyan o inventen modelos abstractos del sistema que admitirá alguna forma de análisis matemático. A estos modelos se les llama modelos matemáticos. Cuando se les crea se espera que sea posible encontrar uno
que simule muy bien al sistema físico real. Como se indica en la figura 1-1, la evaluación es
una fase significativa del proceso de diseño total. La evaluación representa la prueba final de un diseño exitoso y por lo general implica la prueba del prototipo en el laboratorio. Aquí se desea descubrir si el diseño en verdad satisface la necesidad o las necesidades. ¿Es confiable? ¿Competirá exitosamente con productos similares? ¿Es económica su manufactura y uso? ¿Se mantiene y se ajusta con facilidad? ¿Se puede obtener una ganancia por su venta o uso? ¿Qué tan probable es que el producto propicie demandas legales? ¿Se obtiene un seguro con senci-llez y a bajo costo? ¿Quizá sea necesario que se reconozca que se requiere reemplazar partes o sistemas defectuosos?
La comunicación de los resultados a otros es el paso final y vital de presentación del
proceso de diseño. Sin duda, muchos grandes diseños, invenciones y trabajos creativos se han perdido para la posteridad sólo porque sus creadores no fueron capaces o no estuvieron dispuestos a explicar sus logros a otros. La presentación es un trabajo de venta. El ingeniero, cuando presenta una nueva solución al personal administrativo, gerencial o de supervisión, está tratando de vender o de probarles que la solución que él propone es la mejor. A menos que lo anterior se pueda hacer de manera exitosa, el tiempo y el esfuerzo empleado en obtener la solución en gran parte se habrán desperdiciado. Cuando los diseñadores venden una idea nueva, también se venden a sí mismos. Si suelen tener éxito en la venta de ideas, diseños y soluciones nuevas a la gerencia, comienzan a recibir aumentos salariales y promociones; de hecho, así es como cualquiera tiene éxito en su profesión.
1 En Stuart Pugh, Total Design—Integrated Methods for Successful Product Engineering, Addison Wesley, 1991,
se presenta un excelente desarrollo de este tópico. También se proporciona una descripción del método Pugh en el capítulo 8 de David G. Ullman, The Mechanical Design Process, 3a. ed., McGraw-Hill, 2003.
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