CAP 4.Métodos de Diseño en Ing. Mecánica

PONNFrcN

UNUER$IDAD CATÓUGA

DEL

PERI]

I}EPARTATENTO

DE INGENffi

HA

§EC§IÓN

INGENIERh

MEcATIcI

urɡooos

pr

orsrño

EN

lrcemeRla

uecÁxcn

PROYECTO

PRELIiII}IAR

CAPITULO 4

gTN.IruuIN

_{BARRIGA GAI/IARRA}

r. cotcEFlo oE r-A sourclón

E!rbc*6n &l Comepb: De¡rÍrürr iú Cqls¡Eo

.. ELAS(NAOÓT DEL Pfl}YESIO

Dümlmrdprq*toptrffiur

t. Ddaniur loogrnbsdeo*rffin p*a ehhüa¡ h

frfim. Detilflhr

b

modih Fhdpr¡b!

2 Dhpoer, aonü, €hboradtn& hfunnaaFodraúa, úrieñüdiaóon perb

3. Dc0sfirhár d$o (lo r*dC,

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de prore dÜ

ñüricxiúG blerarEi¡s y d&d dd

¡e&

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¿t. _E)qfirE hs ar8de b Énñ$rdón éül

5, RoplssrlB d p(oyodo pl§liY*rü

6- D&nhsr d poy€cb gdhhar üptrr, (lr€ilrs, Eldr¡s, fr€trr, Vóriioa0

a

a a

fASq

ry

$I/ABOBAQIÓN

IIEL PR9YECTP:

Proyesto

pr*liminar

Fig.3.1: Elaboración del proyecto:

hyecto

Preliminar

EIABORAGÉN

DEL PROYECTO (pROYECTAR)

En esta fase del diseño

se

llegará

a

desarollar un proyecto deftnitivo

a

part¡r

de

la

estruotura de onstrucción óptima eneontrada en la fáse anterior. Esta fiase consta de dos etiapas:

r

Proyecto preliminar

o

Proyecto definitivo

1.

DETERHINAR EL PROYECTO PRELITINAR

Los datos de entrada de esta etapa son:

La lista de exigencias

La estructura de funciones

Lo que

se

per*igue

en

esta

etapa

es

elaborar una descripción aproximada

de

la construcción del sisterna técnico,

es

deeir,

al

final

de

la

etapa

sa

debe otÉer¡er un

documento de diseño en

elcual

se encuentre

plasmdo

en un boequejo del proyecto preliminar.

El proywto preliminar deberá ser rspreséntado siguiendo la configuración del sistema técnico desam)llado

en la

fase anterior (representación icónica

_').

EE decir,

en

la elaboración del

porccto

se debs aplicar el concepto de

¡olución.

AI

elaborar

el

proyecto se

debe lograr todos

los

datos para fabricar

o

adquirir los elementos que lo consütuyen.

EI

diseñador

en

estia

etapa debe

configurar

todas

las

piezas,

asl

como

fijar

su

disposición entre ellas. Para esto es necasario:

.

Detenninar las medidas principales

.

Averiguar las relaciones de espacio

.

Calcular las medidae de las piezas

'

§scoger los materiales

.

Completar los conceptos de solución

.

Determinar los plocesos de fabricación

.

Configurar todas las piezas y sus uniones

,

ffi:;:Trffi;;Iffi*

.

Evaluary escoger las mejores soluciones

Para

_@er

proyectar adecuadamente $e debe seguir las siguientes reglas hásicas r):

,

Claridad:

tJso adecuado

de

los conocimientos

de la

fíeica

y

la

tecnologia, tiales §omo: Dinámica, cinernátiw, mecánica de fluidos, etc.

.

Slmpleza: Economla en la fabricación y en el uso. Ej. Fabricación simple, montaje simple, poco pese, bajos costos de mantenimir*núo y funcionamiento, etc.

r

Segurid¡dr §eguridad para las persona§, máquinas y elmedio ambienb

'

Represerlación

iún*n:

W

e¡e¡4p/a parc tryre§afltar

un

cílindro neumilim sc¡lo ser6 nwsar"n dlbujar el vástaga y el cilinüo.

Reglas báeicas para

poyectar

tócnica§, con la ñ¡üca y la

trcnologh

Itednica

Eleckicidad

Cinamáüoa

Qontrol

Termodlnámicr Autom¡ttsaclón

Economia en la fabricae¡éñ y én

el uso

Conce@slmph F¡bricación slnple tontaje simpl+

Baios cetos de operacién

tsa¡or co6üos de rtantenimienb

PRODUCTO

Para lat FaüBooeÉ, la máqu¡na y el medio ambienb

§egudded d¡ fr¡ncion¡mhnto

§eguridad enté sobrecargas

Resi*bncia d deegarb

tan&nlmionto

Determinación de

le

punte

de orientación para la elaboración de la forma del pmyecto. fleterminar las rnedidae principales

En este paso $s debe encontrar las medldas delproyecto en forma aproximada.

Como puntos de partida para configuración de los elementos o del siEtema mismo se deben fijar a§unos puntos de orientación. (Dincnsiones, fuer¿as, energía, etc.).

Estos puntos de orientación ee pueden encontrar en

loe

sistemas

técnicoe

con los cuales trabajaría el sistema en diseño, en

las limitaciones

humanas (ergonomia) y en las exigencias del eistema a diseñar.

En este punto se deberá tener en cuenta las normas (Ej. Normas lSO, DlN, INDECOPI,

INACAL, NFPA, etc.), así corno también Ia comparacién con sistemas parecidos que

pueden servir de ayuda.

Se

considera además

que

la

experiencia

del

diseñador también

juega

un

papel importante.

Se

harán cálculos aproximados

de

resistencia

de

materiales

para

determinar las dimensiones;

la

elaboración

de la

forma

del

proyecto

no

debe

de

ninguna manera responder a un cálculo detallado de sus elementos. Los cálculos aproximados permiten determinar

si

la

rnáquina

a

diseñar curnplirá con

la

lista de exigencias

en

lo que se refiere a cantidad y si es necesario o no descartar alguno de los conceptos de solución.

Para esta etapa se pueden emplear información comercialde sistemas que se integran

al proyecto (motores, reductores, cilindros neumátkos, piezas normalizadas, etc. ).

Disponer,

asumir, elaboración

de la

forma

aproximada {Dimensiones en parte).

A partir del bosquejo del concopto de solución uno puede diseñar la disposición de las piezas (Ensamble preliminar).

Las posibilidades de disposicién son numerosa§, se considera sin embargo la decisión

sobre la disposición como el primer punto importante en el proyecto preliminar. Estas disposiciones dependerán de las caracterlsticas del producto que tendrla que procesar

ta máquina a diseñar, de las solicitaciones

a

las que estaría sometida la nÉquina y de las limitaciones hurrpnas.

{.{

Elsegundo punto importante es la configuración básica de c¿da una de las piezas.

Cuando respondemos las siguientes preguntas:

¿Qué significa configuracién o elaboración de formas? y,

¿A través de

qué se

define

la

con{iguración

o

la

forma

de

un

cuerpo?

Las

respuestas

nos

conducen

a

reglas

o

elementos básicos

que

ayudan

a

la elaboración de las fonnas de un cuerpo, asl como también a su disposición.

Eetas reglas son:

-

Cambio

de forma

de

las superficies:

Ej.: cambiar

de

un eje estriado

a

usar eje ranurado.

- Cambio de posición: Posición relativa de una superficie con respecto a tas otras.

-

Cambio

de

número: Nrimero de superficies que limitan la pieza, cuerpos, etc., Ej.:

aumentar cantidad de chavetas.

-

Cambio

de

dimensiones:

Dimensiones

de las

superficies.

Ej.:

Eje

con

mayor diámetro.

- Cambio de material: Materiales más resistentes.

Las mismas reglas antes mencionadas se pueden emplear tanto para la configuración

de

piezas

en

forma individual,

asf

como

para

las

piezas

en

conjunto (ensarnble preliminar).

También

se

puede recunir

en

el

monento

de

eonfigurar

a

divisiones

de

lar

funciones,

división de las

carges

y

la autoayuda. También hay

la

posibilidad de integrar(fusionar) fu nciones.

Ésta etapa es iterativa y se puede realizar muchas veces dando lugar a variantes.

4.3

Detemrinar

el

tipo

de

matarial, proceso

de

fabricaeión,

toletancias

y

calidad acabado superficial de cada uno de los componenter.

Por

lo

general

no

es

necesario para

el

proyecto preliminar fiiar completamente las caracterísücas de diseño antes mencionadas.

La excepción a esta regla son las superficies de contacto, donde a menudo los datos del mqterialse recomiendan cuando se trata de una propiedad fijada.

También, aunque sin rnucha

fueza

de decisión en el proyecto praliminar, la funna de los elementos de construcción implicitamente fija los procesos de fabricación asf corno

§u monta¡é.

La seleccirln del material o algunas propiedades del diseño se van perfilando en forma

iterativa, sin embargo una dmisión definitiva (con cálculos aproximados) no es posible, nitampoco indispensable en esta etapá.

Las

anotiaciones

sobre

los

bosgu§os

pueden

_{ser una}

ayuda

para

registrar las

propiedades de las piezas cuando sea necesario.

Examinar las zonas de deficientés o

débil

configuración

En cada s¡stema técnico existen muchas configuraciones

y

cada configuración tiene determinadas caraclerísticas. Coneiderando los diferentes puntos

de

vista

se

puede dar lugar a una variedad de eoluciones parcialas, las cuales a su vez, juegan un papel

importante

en

la

solución

total

o

tienen

una gran

influencia

en

el

proceso _de optimización.

En esta etapa del diseño es difícil que se tengan todas las configuraciones adecuadas,

es muy probable que se tengan zonas con configuraciones deficientes (configuraciones no totalmente satisfactorias)

o

no confiables. Esto no debe impedir que el proceso de diseño continúe. Lo importante

es

reconocer los problernas

y

las deficiencias

en

las soluciones para iniciar la búsqueda conciente o inconciente de una mejor solución.

§e

le debe dedicar especial interés

a

las características de cada configuración, pue§

estas nos

permitirán encontrar

el

proyec{o

preliminar. Esto nos

brindará

Ia transparencia suficiente para poder evaluar las soluciones.

¡*.5 _{Reprcsentar el}

proyrcto

preliminar

La representación de una estructura aproximada se hace a través de un bosquejo del proyecto. Este debe ser limpio y hecho a mano akada.

Las proyecciones pueden ser diferentee,

se

pueden utilizar vistas asf como también proyecciones ieométricas.

Para representar un proyecto preliminar se deben seguir las reglas gue a conünuación

ge _mencionan:

1.

Y DIBUJOS A trANO AI.¿ADA No usar papel cuadriculado

Todo diseñador que hace sus dibujos en papel milimetrado o cuadriculado cae

en la tentación de c{ntar los cuadritos y más o menos dibujar a escala. Cuando uno hace un hogquejo no se neceeita hacer nada exacto, en todo caso es más fácil hacer un dibujo a escala en el tiablero o en computadora. Para dibujos a

mano alzada los cradritog no Gon útiles.

No usar lápiz nigornas de borrar

8e utiliza el lápiz normalmente para hacer líneas $uáves sobre las que después se dibujarán líneas visibles borrándose finalmente las líneas sobrantes. Por esto

último,

se

producen manchas indeseables

lo

que

ocasiona

que

al

final obtengamos un dibujo poco claro.

Por esta razón se debe dibujar desde

el

principio con líneas fuertes

y

si

algo sale mal empezar todo de

nuevo.

Con la práctica se logran dibujos rápidos al primer ¡ntento.

No usar plantillas de cfrculos (compás) ni regla graduada

Por lo general hacer clrculos ylo elipses a mano alzada es muy diflcil, es sólo cuesüón de práctica para obtener buenos resultados.

Las longitudes de las piezas no neceeitan ser exactas cuando se trata de un bosquejo.

Según estas 3 prirneras reglas se deduce que los implemenlos deldiseñador son:

o

Papelblanco A4

.

Lapice¡o 0,5mm (0,3S)

r

Tinta blanca de conecclón

Se puedan utilizartambién otrcs furmatos de papel, traneparente o de colores.

Las partes bkm logrtdas de dibujos complicados se pueden fotocopiar,

pqar

y seguir adelante con el bosquejo por lo que esta permitido utilizar tijeras y pegamento.

Otras reglas para bosquejar:

Las reglas que siguen a continuaeión siruen para Ia ejecución de bosquejos.

4.

Procu¡ar mantener una densidad uniforme de información.

Pensar que en las reducciones se pueden perder los detallee pequeños.

Se puede recomendar seguir las siguientes pautas:

r

Ampliar pequeñm rebajes

o

Acortar grandes bngitudea

.

Escoger un tamaño de letra uniforme

o

Distribuir las rnedidas uniformemente

¡

Llenar la hoja

o

Dejar un marco (sobre todo en el lado de donde se encuaderna)

5.

Escoger las secciones y/o detalles apropiados.

Los detalles pueden

rer

importante§, pues con su ayuda no e$ necesario hacer dibujos grandes.

Las secciones ylo detalles se pueden apreciar nejor si uno usa adecuadarnente elespacio disponible.

No se debe abusar de los detalles, pues en todo caso es preferible usar una representación más grande en la misma pieza.

Tener en cuenta que él número de vistas y/o cortes debe ser el apropiado para

representar un conjunto de piezas o una sola pieza.

Así también el número de cotas debe ser menor que el que se usa en un dibujo

normal, se deberán colocar sólo las rnedidas necesarias.

Es aconseiable hacerse las siguientes preguntas:

¿Qué lugar est¡á disponible?

¿Qué es lo que quiero representar?

¿Cómo puedo mantener la densidad de información unitunne?

6.

Reducirelnúnero de llneas

Un

objeto

se

debe

representar

con las

llneas

neceearias

y

es

más

claro mientras menos lfneas contengan.

7-

Ordenarlainformacién

La

información

que

mrresponde

a

los

dihujos,

coms

tolerancia§, nedidas, material, procesos de fabdcaoión, medidas principahs, indicaciones de montaje

deben ir en el dibujü; pero fecha de entrega o precio no deber ir.

Entonces

en

el

dibujo

se

debe

colocar

sólo

la

infonnación

que se

desea kansmiür,

la

cual debe estar

claramente representada

de

tal

rnanera que cua§uiera la pueda entender.

"El

dibuio debe ser un idioma universal".

8.

Empezar mucha* veces

Cuando

2

ingenieros discuten un problema de diseño, aparecen una serie de bosqueios gue representan las ideas.

Es recomendable que las ideas no

se

boneñ, cualquier nueva idea

o

mejora debe hacerse en un nuevo papel.

Toda nueva idea

es

bienvenida, pero

no toda

nueva idea trae consigo una mejora.

4.8

Determinar

el

proyecto

preliminar

óptimo (iieforar,

Evaluar,

Decidir

y

Verificar)

En esta

etapa

ya se

pueden

evaluar

las

altemativas

del

proyecto,

porque

las características del diseño están

ya

fijadas.

En estos bosguejos se pueden observar claramente los eriterios escogidos.

Es

posible obtener

o

estimar

los

datos

de

factores

que

influyen

en

los

costos de fabricación (Ej. peso, tamaño, proce$o de manufac{ura,

etc.);

entonces ya es

psible

de encontrar un estimado aproximado delcosto.

La

svaluación

de

los

puntos más débiles según

los

puntos

de

vista

del

diseñador permite efectuar algunas mejoras.

A

este

nivel

ya es

poeible practicar

un

primer análisis técnico económico

de

las alternaüvas

(VD|2225

parte

f).

En los

forrnatos adjuntos

se

explica

en

forrna sirnplificada

la

manera

de

hacer las

evaluaciones aplicando la recomendación VOI 2225.

Para aplicar la calificación se establecen criterios de evaluación tanto técnicos como económicos y se le da puntaje del 1 al

4

para cada altemativa.

Corno

se

puede observar

al

momento

de

escoger los criterios

de

evaluación, sean estos técnicos o económkps, no se les puede dar el mismo peso ya gue estos tienen

diferentes niveles de importancia en

el

proyecfo. For eso se debe hacer una primera evaluación sin pesoa ponderados (igual

pso

para todos los crtterios)

y

luego evaluar nuevamente

lo

mierno

pers con

Fesoe ponderados

y

nos

daremos cuenta

que

los resultados difieren. Esta última evaluación puede confirmar o desvirtuar la calificacir5n

inicial total que recibe cada aftemativa.

Para poder apreciar

la

calificación

de

las alternativas

se

sorneten estas

a

una tabla donde se representan los valores relativos alcanzadoe por cada una con respecto a la

solución ideal. Sólo se tendrán en cuenta las altemativas que hayan alcanzado valores

mayores a 0,6. Las afternativas que se acerquen más al valor ideal son las mejores. También

se

debe preferir las altemativas que

_se

encuentren más cerca

de la

línea diagonal, ya que ello representa que cuenta con un mejor balance téanico-económico.

Las altemativas se pueden calificar de la siguiente manera:

ValorTécnico

X;

Valor Económico

yi

Calificación

0.8 0,8 muv buena solución

0,7 o.7 buena soluc¡ón

0.6 o menos 0,6 o menos solución deficiente

A continuación ae

indierá

como encontrar los valores

)(¡

e

_Y¡

DISEÑO MECANrcO

*

EVALUACIÓN

DE

PROYECTO§

Valor

Técnico

{

x¡

}

Area de Diseño

Proyecto:

p

puntaje de 0 a 4 ( Escala de valores seg¡ln VD¡ 2225)

0=No$aüsface, 1=Acepkblealasjustas,2=Suficiente,3=Bien,4=Muybien(ideal)

es el peso ponderado y se da en funcián de la importancia de los criterios de evaluación

g

Criterios de evaluación para diseños en fase de conceptos ó proyectos

Variantes de Concepto

/

Proyectos

Solución 1

$r

§olucrorl z §z

§oluc¡ón ¡

...§i

§olución

ideal S i¿eal

Nr. Criterios de evaluación (r

E p gp p gp p sp p gp

1 2 3 4 5 6 7

I

Puntaie

máximo

»p

ó

»gp

Valar

técnico

x¡ Arden

h*

Pz*

Ps...Pn

xi

h+

Pz* Pt"'P"

= P *l

Pro

ffP**

&tPt

+

_SzPz

+

P*r*

..'

_{+ 8,Po}

xi

(g,

_{8z+.'.+9,)P**}

DI§EÑO

ME§ANICO

.

EVALUACIÓN

Valor

Econürrlco

(

_v¡

_I

DE

PROYECTOS Area de

Diseño

Proyecto:

p

puntale _de 0 a 4 ( Escala de valores según VDI 2225)

0=Nosaüsface, 1=Aceptablealasjustas,2=§uficiente,3=Bien,4=Muybien(ideal)

ec el peeo ponderado y se da en función de la importancia de los cdterloe de evaluaclón

g

Criterios de evaluación para diseños en fase de conceptos ó proyectos

Variantes de Concepto

/

Proyectos

Solución 1

Sr

§olucjén 2

Sz

Solueión i

..,si

§olucién

ideal

§

¡u*,

Nr. Criterios de evaluacíótt 0

& p gp p gp p gp p gp

t 2 .) 4 5 6 7

I

Puntaje

máximü

»p

ó

fgp

Valor económica

yi

Srden

,,

_

Pt

*

Pz

*

Pt...Pn

_

"/¡

-

_fiP*r*

Pt*

Pz* Pt"'P,

n

_-P

₅₁

P^u"

P*o

l¡

grPr+gtPz*...*gnPn.

_{(9,+ gz*...* g,)p*,.}

>>

o

I

:

\o

q)

FFt

¡r

6¡

Valor

Técnico

x

Diagrama

de

Evaluación

según

VDI

2225

La evaluación se puede hacer también con los criterios (de evaluación) obtenidos de Ia

lista de exigencias

y

las propiadades logradas hasta esta etapa en el sistema técnico. Ver

la

hoja

de

indicaciones con las caracterísücar principales para la evaluación de diseños en la fase de proyecto preliminary definitivo.

rNDrcAcroNEs

coil

r¡s

tARAcTERísncas

pRtNctPALEs

PARA

LA

rveuurcróN

DE

osgfios

EN

rá

FAsE

DE

pRoyEcro

PREUmINAR Y

oÉFrNlTrvo

CARACTERISTIGA PRINCIPAL EJEMPLO

Función §atisfacción

de

la

Función

con los

principios-efectos escogidos; uniformidad, densidad, grado

de

eficiencia,

sensibilidad

(a

rnalograrse), pérdidas.

Forma

Tamaño,

necesidad

de

espacio,

pe$o,

disposición, situación, adaptación.

Diseño

Aprovecharniento,

solidez,

deformación,

capacidad

de

variación

de

forma,

duración,

desgaste,

resistencia

a

choques,

estabilidad, resonancia

Seguridad

Técnicas

de

Seguridad inmediata, seguridad de trabajo, proteccíón del medio ambiente

Ergonomía

Relación hornbre máquina, rnolestias de trabajo serviqio, puntos de vista estéticos, configuración de las formas

Fabricación

Procesamiento sin riesgos, tiempo

de

fraguado

(costo),

tratamiento

térmieo,

tratamiento superfaial {evitar), tolerancias (en tanto no $ean

cornprendidas en los costos).

Controlde Calidad Mar¡tenimiento

de las

propiedades

de

calidad. Comprobabilidad.

Montaje Claro, fácil, agradable, ajustable, Reequipabilidad

Transporte Dentro

y

fuera

de

la

empresa,

tipo de

envio, embalaje.

Uso

Manipulación,

comportamiento

del

funcionamiento, características

de

conosión, necesidad de materiales auxiliares.

Mantenimiento Manten imiento, lnspección. Reparación, Camhío.

Costos Especialmente en la evaluación económica.

Plaeos Característir:as

que

deterninan

los

plazos

de entrega.

ESTRATEGIA PARA PROYECTAR

Métodos para configurar (rcgún Ehrlentpiel) "Desanollo integral de productos"

Primer Paeo: Conformidad de elementos envolvente§

Abstracción de soluciones parciales a euerpo$ envolventes

Segundo Peso: Dispeición de los elementos envolventes

Disposición

de

los elementos envolventes

y

líneas

de

referencia con altemativas de posicíón a hasta c.

Tercer

Paso:

A

partir

de las

soluciones parciales bosquejar

la

configuración del concepto.

dea

Unión de los elementos parciales pensando en la fabricación y montaje. Aun no se han trabajado completamente las variantes.

Proyecto preliminar de una válvula de esquina

Estrategia de Trabaio De adent¡o hacia fuera De afuera hacia adentro De lo basto (burdo) aldetalle De lo esenciala lo no esencial

(Primero las funciones principales luego las adicionales)

Elinicio puede ser una simple llnea de eje.

BIBLIOGRAFIA

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Conrad,

Klaus-Jürg,

Grundlagen

der

Kosntruktionslehre:

Methoden

und Beispiele

für

den

Maschinenbau (Fundamentoa

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Ehrlenspiel,

Klau$,

lntegrierte

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Methoden

für Prozessorganisation, Produkterctellung und Konstruldion (Dmanollo integralde productm: Métodos para la organizacién delproceso, elaboracién

delpoducto

y diseño). Carl Hanser, Munich 1995

3.

Pahl, G,, BeiA, W., Feldhusen, J., Grote, K.H., "Engineering Design",3d Edtt¡on,

§pringer, Berlin, 2407

-4.

Recomendación

VDI

2225 T*hnisch-wirtschaftliches Konstruieren (Diseño técnico-económico) VDI 1 981