LIBRO DE DISEÑO DE MÁQUINAS
ANDRÉS CASTAÑO POSADA HERNÁN DARÍO MORENO RAMÍREZ
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDELLÍN 2004
LIBRO DE DISEÑO DE MÁQUINAS
ANDRÉS CASTAÑO POSADA HERNÁN DARÍO MORENO RAMÍREZ
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero mecánico
Director
JUAN MIGUEL VÁSQUEZ Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDELLÍN 2004
Nota De Aceptación
Presidente Del Jurado
Jurado
Medellín, 5 de Agosto del 2004
DEDICATORIA
A mis seres queridos que siempre me han apoyado en todos los momentos difíciles
Hernán Darío Moreno Ramírez
A Juan Felipe Valencia V., Además de un excelente ingeniero, una persona ejemplar
Andrés Castaño Posada
AGRADECIMIENTOS
A nuestros padres, que con su esfuerzo y dedicación han hecho posible el logro de esta y muchas etapas de nuestras vidas.
Al profesor Juan Miguel Vásquez C., profesor de tiempo completo, perteneciente al grupo de investigación A+D, por su paciencia y su gran ayuda en la elaboración de este proyecto.
A los directivos, profesores y compañeros, que nos han apoyado durante nuestra formación profesional.
CONTENIDO Pág. 1 El Proceso De Diseño ... 71 1.1 INTRODUCCIÓN ... 72 1.1.1 ¿Qué Es Diseño De Máquinas?
... 72 1.1.2 Usos Del Diseño Mecánico
... 75 1.2 PROCESO DE DISEÑO ... 76 1.2.1 Requerimientos ... 82 1.2.2 Resultados Esperados ... 89 1.2.3 Pasos Del Proceso De Diseño
... 93 1.3 DISEÑO PRELIMINAR
... 98 1.3.1 Planteamiento Inicial De La Necesidad
... 98 1.3.2 Revisión Del Estado Del Arte Del Problema
... 100 1.3.3 Recolección De Datos Cuantitativos & Cualitativos
... 107
1.3.4 Definición Del Problema
... 128 1.4 DISEÑO BÁSICO
... 132 1.4.1 Consideraciones De Diseño Básico
... 132 1.4.2 División En Subsistemas
... 134 1.4.3 Planteamiento De Alternativas De Solución De Subsistemas
...
142
1.4.4 Selección De Alternativas De Solución
... 144 1.4.5 Integración
... 149 1.5 DISEÑO DE DETALLE
... 152 1.5.1 Consideraciones Del Diseño De Detalle
... 152 1.5.2 Selección De Elementos Comerciales
... 157 1.5.3 Síntesis & Análisis: Ciclo Iterativo
... 159 1.5.4 Integración
... 167 1.5.5 Planos De Ensamble & De Taller
... 169 1.6 PROTOTIPOS & PRUEBAS
... 172 1.6.1 Prototipos: Reales & Virtuales (Cad 3d, Cae, Cam)
... 172 1.6.2 Pruebas Dinámicas ... 175 1.6.3 Retroalimentación ... 178
6
1.7 DISEÑO DEFINITIVO
... 180 1.7.1 Diseño De Detalles Estéticos & Especificación De Acabados
. 180
1.7.2 Planos Definitivos: Detalle, Taller, Ensamble & Explosión
.... 183
1.7.3 Construcción De La Máquina (Pieza) En Serie
... 184 1.8 CIERRE DEL PROYECTO & COMUNICACIÓN
... 186 1.8.1 Bitácora De Diseño
... 186 1.8.2 Memorias De Cálculo, Planos & Manuales
... 190 1.8.3 Patente & Registro Comercial
... 191 1.8.4 Catálogos Comerciales
... 192 1.9 BIBLIOGRAFÍA
... 193 2 Diseño De Elementos De Máquina Bajo Fatiga
... 198 2.1 CONCENTRADORES DE ESFUERZOS
... 199 2.1.1 Definiciones Básicas
... 199 2.1.2 Relación Concentradores – Material
... 218 2.1.3 Pautas De Diseño Para Aliviar Concentraciones De Esfuerzos ... 224 2.2 MECÁNICA DE FRACTURAS ... 275 2.2.1 Introducción A La Teoría ... 275 2.2.2 Factor De Intensidad De Esfuerzo ()
... 280 2.2.3 Deformación Elástica & Plástica En El Borde De La Grieta
... 289
2.2.4 Tenacidad A La Fractura ()
... 296 2.2.5 Intensidad De Esfuerzo Vs. Tenacidad A La Fractura
... 305
2.2.6 Criterio De Diseño Bajo La Teoría De La Mecánica De La Fractura
... 309 2.3 FATIGA
... 319 2.3.1 Introducción A La Teoría De Fatiga
... 319 2.3.2 Mecanismo De Falla Por Fatiga
... 324 2.3.3 Diagrama S-N ... 339 2.3.4 Regímenes De Fatiga ... 341 2.3.5 Casos De Fatiga ... 346 2.3.6 Procedimiento De Diseño Bajo Esfuerzos Uniaxiales
Alternantes
... 351 2.3.7 Procedimiento De Diseño Bajo Esfuerzos Uniaxiales
Fluctuantes
... 418 2.3.8 Procedimiento De Diseño Bajo Esfuerzos Uniaxiales
Fluctuantes
... 470 2.4 BIBLIOGRAFÍA
... 522
3 Transmisión & Generación De Potencia
... 526 3.1 INTRODUCCIÓN
... 527 3.2 CONSIDERACIONES PARA LA SÍNTESIS DE FUENTES &
TRANSMISIONES DE POTENCIA
... 528 3.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE GENERACIÓN DE POTENCIA
... 539 3.4 EFICIENCIA DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA
... 545 3.5 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA ... 550 3.5.1 Mecanismos Articulados ... 557 3.5.2 Ejes ... 561 3.5.3 Elementos De Transmisión Flexibles
... 564 3.5.4 Engranajes
... 566 3.5.5 Selección De Una Transmisión
... 568 3.6 HOJAS DE DATOS PARA SISTEMAS DE POTENCIA COMERCIALES ... 577 3.6.1 Motores Eléctricos ... 577 3.6.2 Reductores ... 582 3.6.3 Motores De Combustión Interna
... 588 3.6.4 Sistema Hidráulico ... 594 3.6.5 Características Básicas ... 594 3.6.6 Características Complementarias ... 596 3.6.7 Sistema Neumático ... 598 3.6.8 Características Básicas ... 598 3.6.9 Características Complementarias ... 601 3.7 BANDAS & POLEAS
... 603 3.7.1 Clasificación De Bandas
... 603 3.7.2 Nomenclatura De Bandas En “V”
... 618 3.7.3 Procedimiento De Selección De Bandas En “V”
... 625 3.8 CADENAS & SPROCKETS
... 650 3.8.1 Nomenclatura De Cadenas
... 650 3.8.2 Sprockets
... 660 3.8.3 Dimensionamiento De Cadenas De Rodillos
... 665 3.8.4 Lubricación
... 670 3.8.5 Procedimiento De Selección De Cadenas
... 674 3.9 DISEÑO DE EJES – CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS &
FUNCIONALES
... 697
3.9.1 Detalles Constructivos De Ejes
... 697 3.9.2 Procedimiento Para El Diseño De Ejes
... 708 3.9.3 Métodos Alternativos Para Fijación Axial De Rodamientos Radiales
... 712 3.10 DISEÑO EJES – ACOPLES, PRISIONEROS, CUÑEROS &
REACCIONES
... 715 3.10.1 Acoples
... 715 3.10.2 Tornillos De Fijación (Prisioneros)
... 720 3.10.3 Cuñas
... 727 3.10.4 Cálculo De Fuerzas & Reacciones En Los Apoyos
... 735
3.11 BIBLIOGRAFÍA
... 744 4 Elementos De Máquinas
... 746 4.1 Cojinetes – Rodamientos & Bujes
... 747 4.1.1 Definiciones ... 747 4.1.2 Selección De Rodamientos ... 751 4.1.3 Designación De Rodamientos ... 799 4.1.4 Cálculo De Rodamientos ... 812 4.1.5 Lubricación De Bujes ... 839 4.1.6 Diseño De Bujes ... 884 4.2 Tornillos ... 916 4.2.1 Características Básicas ... 918 4.2.2 Transmisión De Potencia ... 944 4.2.3 Esfuerzos Bajo Carga Estática
... 972 4.2.4 Resistencia Bajo Carga Estática
... 980 4.2.5 Factor De Seguridad Bajo Carga Estática
... 990 4.2.6 Métodos De Evitar El Aflojamiento
... 991 4.2.7 Precarga & Fatiga
... 996 4.2.8 Diseño Bajo Fatiga Uniaxial
... 1026 4.2.9 Distribución De Cargas ... 1035 4.3 RESORTES ... 1048 4.3.1 Tipos De Resortes ... 1055 4.3.2 Geometría De Resortes Helicoidales A Compresión
... 1066
4.3.3 Diseño De Resortes Helicoidales A Compresión Bajo Carga Estática
... 1068 4.4 BIBLIOGRAFÍA
... 1118
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1.1. Recolección De Datos Cualitativos & Cuantitativos... 126
Tabla 1.2. Ventajas & Desventajas... 147
Tabla 2.3. Parámetros para el cálculo de en función de la geometría de la pieza & la grieta... 284
Tabla 2.4. Valores De Para Diversos Materiales... 301
Tabla 2.5. Condiciones De Fractura... 306
Tabla 2.6. Historia De La Teoría De Fatiga... 320
Tabla 2.7. Casos De Fatiga... 349
Tabla 2.8. Estimación Del Límite De Resistencia A La Fatiga En Materiales Ferrosos... 356
Tabla 2.9. Estimación Del Límite De Resistencia A La Fatiga En Materiales No Ferrosos... 358
Tabla 2.10. Valores Del Coeficiente De Carga...365
Tabla 2.11. Ecuaciones Para El Cálculo Del Coeficiente De Tamaño.... 368
Tabla 2.12. Parámetros Para El Cálculo Del Coeficiente De Acabado Superficial...376
Tabla 2.13. Ecuaciones Para El Cálculo Del Coeficiente De Temperatura ... 382
Tabla 2.14. Valores Del Coeficiente De Confiabilidad... 383
Tabla 2.15. Casos De Aplicación Del Factor De Concentración De Esfuerzos Bajo Carga Estática & Fatiga... 395
Tabla 2.16. Constante De Neuber Para Diferentes Materiales... 401
Tabla 2.17. Casos De Aplicación De Factores De Concentración De
Esfuerzos... 434
Tabla 3.18. Comparación De Bandas De Transmisión De Potencia...604
Tabla 3.19. Tamaños & Capacidades De Tornillos Prisioneros... 723
Tabla 3.20. Tamaños De Cuñas Cuadradas Recomendadas En Función Del Diámetro Del Eje... 728
Tabla 4.21. Factores X & Y Para Rodamientos Radiales Bajo Carga Combinada... 826
Tabla 4.22. Procesos De Endurecimiento & Recubrimiento Superficial De Metales... 863
Tabla 4.23. Características De Métodos De Lubricación En Cojinetes.. 868
Tabla 4.24. Valores De Aspereza Típicos Para Diferentes Procesos De Maquinado... 911
Tabla 4.25. Geometría De Tornillos Estándar En Sistemas UNS E ISO.925 Tabla 4.26. Geometría De La Rosca Cuadrada & ACME... 952
Tabla 4.27. Resistencia De Prueba Bajo Carga Estática Bajo Norma SAE. ... 981
Tabla 4.28. Resistencia De Prueba Bajo Carga Estática Bajo Norma ISO. ... 985
Tabla 4.29. Factores De Concentración De Esfuerzo Bajo Fatiga...1031
Tabla 4.30. Coeficientes Experimentales Para El Cálculo De ...1075
Tabla 4.31. Factor De Porcentaje ...1081
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1.1. Proceso De Diseño (Caja Negra) Con Sus Requerimientos & Resultados Esperados...82 Figura 1.2. Etapas Del Proceso De Diseño... 97 Figura 1.3. División De Una Máquina En Subsistemas Básicos Esenciales ... 138 Figura 2.4. Distribución De Esfuerzos En Presencia De Concentradores ... 202 Figura 2.5. Concentrador De Esfuerzos Elíptico...209 Figura 2.6. Distribución De Esfuerzos Según Unigraphics®... 215 Figura 2.7. Gráfica Para El Cálculo De (Placa Plana, Transición De Área Con Filete, Momento Flector Puro)...218 Figura 2.8. Diagrama Esfuerzo - Deformación. A ) Material Dúctil / B ) Material Frágil... 221 Figura 2.9. Alternativas De Diseño Para Aliviar La Concentración De Esfuerzos
En El Asiento De Un Rodamiento... 227 Figura 2.10. Gráfica, Ecuación & Tabla Para El Cálculo Del Factor De
Concentración De Esfuerzos
En Una Placa Plana Finita Con Cambio De Sección Sometida A Carga Axial... 231 Figura 2.11. Gráfica De Esfuerzos Para La Pieza Del Ejemplo 2.1, Obtenida En Unigraphics®... 236 Figura 2.12. Geometría Rodamiento 6215, Obtenido Del Catálogo Interactivo En Línea De La SKF®... 256 Figura 2.13. Gráfica, Ecuación & Tabla Para El Cálculo Del Factor De
Concentración De Esfuerzos
En Un Eje Con Cambio De Sección Sometida A Torque Estático... 259 Figura 2.14. Gráfica De Esfuerzos Para La Pieza Del Ejemplo 2.2, Obtenida En Unigraphics®... 262
Figura 2.15. Modos De Carga Bajo Los Cuales Puede Crecer Una Grieta
... 278
Figura 2.16. Esfuerzos en la punta de la grieta en coordenadas polares & en función del factor de intensidad de esfuerzo ... 282
Figura 2.17. Tamaño De La Zona Plástica Delante De La Punta De La Grieta...291
Figura 2.18. Estados De Esfuerzos En La Zona Plástica...293
Figura 2.19. Platina Con Grieta En El Borde... 313
Figura 2.20. Diagrama De Wohler (S-N)... 324
Figura 2.21. Defectos De La Estructura Cristalina (Vacante. Inclusión & Distorsión)... 327
Figura 2.22. Cavidad Por Contracción & Bolsas De Gas En Piezas De Fundición... 332
Figura 2.23. Condición De Carga Completamente Alternante En Un Eje ... 336
Figura 2.24. Diagrama de Wholer & regímenes de fatiga para materiales ferrosos & no ferrosos... 343
Figura 2.25. Gráficas De Esfuerzos Dinámicos... 349
Figura 2.26. Ejemplo De Eje Bajo Carga Combinada... 365
Figura 2.27. Área 95 De Una Sección Circular... 372
Figura 2.28. Área 95 Para Secciones No Circulares... 374
Figura 2.29. Diagrama de Wholer & regímenes de fatiga para materiales ferrosos & no ferrosos... 390
Figura 2.30. Comparación Entre El Factor De Concentración De Esfuerzos & La Sensibilidad A Las Muescas Con Respecto Al Radio De La Muesca...400
Figura 2.31. Gráficas De Esfuerzos Dinámicos: A) Totalmente Alternantes B) Fluctuantes... 421 Figura 2.32. Superficie De Falla Generalizada Para Un Material Ferroso &
Planos De Proyección
Fuente: NORTON, Robert L. Diseño De Máquinas. México: Prentice-Hall,
1999. p.411... 424
Figura 2.33. Diagrama de Goodman o de vida constante (): líneas de falla para esfuerzos fluctuantes...430
Figura 2.34. Vistas De La Pieza Del Ejemplo 2.4... 444
Figura 2.35. Estados De Esfuerzos Del Ejemplo 2.4. En Los Diagramas De Wohler & Goodman... 456
Figura 2.36. Factores De Seguridad Bajo Esfuerzos Fluctuantes En El Diagrama De Goodman...469
Figura 2.37. Ejemplo De Pieza Sometida A Un Estado De Esfuerzos Multiaxial... 476
Figura 2.38. Diagrama de Goodman a vida infinita para el punto a & b (gráficos obtenidos en Matlab)... 518
Figura 3.39. Rangos Comparativos De Torque & Velocidades De Diferentes Elementos De Transmisión... 554
Figura 3.40. Configuración Abierta De Una Banda & Estado De Esfuerzos Asociado... 610
Figura 3.41. Diferentes Configuraciones Para Bandas Planas... 614
Figura 3.42. Nomenclatura De Una Banda & Polea Dentada... 617
Figura 3.43. Nomenclatura De Una Cadena De Rodillos... 653
Figura 3.44. Geometría De Un Sprocket... 663
Figura 3.45. Elementos De Una Cadena De Rodillos... 693
Figura 3.46. Nomenclatura De Una Cadena De Rodillos & Sprocket.... 694
Figura 3.47. Cadena De Rodillos Estándar, Para Trabajo Pesado & Sin Rodillos... 694
Figura 3.48. Cadenas De Eslabones Escalonados, De Paso Doble & Con Adaptador Para Transporte...695
Figura 3.49. Cadena De Pines Huecos, Con Adaptador De Transporte & De Tipo Flexible... 696
Figura 3.50. Varios Métodos De Sujeción De Elementos A Flechas...702
Figura 3.51. Métodos Alternativos Para La Fijación De Rodamientos... 714
Figura 4.52. Rodamientos Radiales Con Diversos Elementos Rodantes754 Figura 4.53. Rodamientos Axiales Con Diversos Elementos Rodantes. 757 Figura 4.54. Comparación De Tamaño Radial... 761
Figura 4.55. Comparación De Capacidad De Carga Radial... 763
Figura 4.56. Carga Media Equivalente Para Dos Casos De Carga Variable ... 765
Figura 4.57. Rodamientos Con Capacidad De Carga Combinada...772
Figura 4.58. Rodamientos Con Capacidad De Momento... 777
Figura 4.59. Rodamientos Autoalineantes... 780
Figura 4.60. Rodamientos Con Capacidad De Desplazamiento Axial... 787
Figura 4.61. Rodamientos Para Ejes Cónicos... 792
Figura 4.62. Designación Básica De Rodamientos Bajo Norma ISO...810
Figura 4.63. Correlación Entre Porcentaje De Fallos & Carga Relativa. 816 Figura 4.64. Cojinetes De Aire: Rotatorios, Lineales & Mixtos... 845
Figura 4.65. Cojinetes De Aire Porosos. Partes Básicas & Prueba De Inmersión... 848
Figura 4.66. Cojinetes De Aire Porosos. Comparación De Perfiles De Presión... 850
Figura 4.67. Izquierda: Gráfica Comparativa De Viscosidades De Gases & Líquidos. Derecha: Clasificación De Aceites Según Su Viscosidad Bajo Diferentes Normas... 853
Figura 4.68. Aplicaciones Habitualmente Lubricadas Con Grasa... 855
Figura 4.69. Etapas De Lubricación, Eje – Buje: Lubricación Margina, Mixta & Completa... 875
Figura 4.70. Fricción En Cada Una De Las Etapas De Lubricación... 878
Figura 4.71. Geometría De Un Tornillo De Rosca Triangular... 920
Figura 4.72. Mecanismo De Tornillo... 946
Figura 4.73. Geometría De Roscas Clásicas Para Transmisión De Potencia
... 949
Figura 4.74. Diagrama Estático De Una Tuerca Sobre Un Filete De Rosca Cuadrada... 958
Figura 4.75. Diagrama Estático De Una Tuerca Sobre Un Filete De Rosca ACME... 965
Figura 4.76. Identificación De Tornillos Según El Grado O Clase... 990
Figura 4.77. Métodos Para Evitar El Aflojamiento...996
Figura 4.78. Unión Pernada Con Agujero Pasante... 1001
Figura 4.79. Simplificación Del Área De Un Conjunto De Piezas Pernadas ... 1007
Figura 4.80. Idealización De Una Unión Pernada Con Precarga...1009
Figura 4.81. Efecto De La Precarga En Un Tornillo Bajo Carga Variable ... 1013
Figura 4.82. Deflexiones En El Tornillo & El Material Debido A La Precarga & La Carga Externa... 1017
Figura 4.83. Esfuerzos Alternantes Sobre El Tornillo & Las Piezas...1029
Figura 4.84. Equivalencia De Una Carga Excéntrica Sobre Una Unión Pernada... 1038
Figura 4.85. Fuerzas Resultantes Sobre Cada Tornillo...1045
Figura 4.86. Resortes En Paralelo & En Serie...1053
Figura 4.87. Resortes Helicoidales De Compresión... 1057
Figura 4.88. Resortes Helicoidales De Extensión... 1057
Figura 4.89. Barra de extensión resorte...1058
Figura 4.90. Resortes De Torsión...1059
Figura 4.91. Roldanas de resorte... 1060
Figura 4.92. Resorte De Voluta... 1062
Figura 4.93. Resorte en forma de viga... 1063
Figura 4.94. Resorte De Energía O De Motor... 1065
Figura 4.95. Resorte De Fuerza Constante... 1065 Figura 4.96. Geometría De Un Resorte Helicoidal... 1068
Figura 4.97. Gráfica Para El Cálculo De
Fuente: NORTON, Robert L. Diseño De Máquinas. México: Prentice-Hall, 1999. p.819... 1080 Figura 4.98. Esfuerzos Cortantes Sobre Un Resorte Helicoidal A Compresión... 1089 Figura 4.99. Distribución De Esfuerzos De Cortante Directo A Través De La Sección...1091 Figura 4.100. Distribución De Esfuerzos Cortante A La Torsión A Través De La Sección... 1092 Figura 4.101. Esfuerzos Cortantes Directos & A La Torsión Combinados ... 1093 Figura 4.102. Efecto De La Concentración De Esfuerzos En El Borde Interno... 1094 Figura 4.103. Configuración De Los Extremos De Los Resortes... 1107 Figura 4.104. Nomenclatura De Longitudes Y Deformaciones De Un Resorte Helicoidal A Compresión... 1110 Figura 4.105. Análisis De Pandeo Para Resortes Fuente: NORTON, Robert L. Diseño De Máquinas. México: Prentice-Hall, 1999. p.828... 1117
RESUMEN
Como fruto de la experiencia docente y práctica de varios años de los profesores de la materia de Diseño de Máquinas, se está
preparando un libro o texto guía para dicho curso con el aval del Grupo de Investigación en Automática y Diseño (Grupo A+D). Este libro recoge no sólo las teorías y procedimientos clásicos de diseño y selección de elementos de máquina, sino que también los revisa, actualiza y complementa con las herramientas modernas que brinda a la ingeniería el campo de la computación y la informática.
Merece especial mención el énfasis que se le quiere dar al software Solid Edge como herramienta indispensable de diseño, aprovechando que desde hace algunos semestres se ha introducido su enseñanza en el pregrado de ingeniería mecánica. Igualmente se ha pensado en desarrollar software propio para el diseño de ciertos elementos de máquinas que no son comerciales.
1 El Proceso De Diseño
1.1 INTRODUCCIÓN
1.1.1 ¿Qué Es Diseño De Máquinas?
Diseñar viene del latín designare que significa designar, marcar; en un sentido más amplio se traduce como delinear, trazar, planear una acción, concebir, inventar.
El diseño de ingeniería se puede definir como “el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realización”.
El diseño de ingeniería abarca varios campos, entre ellos el diseño de máquinas, objeto de este curso. Una máquina puede definirse como un aparato formado de unidades interrelacionadas llamadas elementos de máquina, que están dispuestas con el objeto de transformar movimientos y fuerzas. Esta relación entre fuerzas y movimiento distingue el diseño de máquinas del de estructuras; en este último sólo se consideran fuerzas estáticas, mientras que para el primero, se incluye además el análisis de las cargas dinámicas asociadas al movimiento, masa y geometría de cada elemento; de aquí la importancia de los prerrequisitos de la materia.
1.1.2 Usos Del Diseño
Mecánico
• Para la manufactura: procesos para la creación de máquinas o partes de máquinas.
• Para el ensamble: de piezas comerciales con o sin piezas manufacturadas.
• Rediseño ergonómico: mejoramiento de piezas dirigido a la comodidad.
• Programas de mantenimiento: procedimientos, frecuencias, parámetros, reemplazos.
• Para el reciclaje y reutilización: separación, procesamiento y remanufactura de piezas.
1.2 PROCESO DE DISEÑO
Es una secuencia lógica de pasos que sigue el diseñador a partir de ciertos datos de entrada, para obtener la solución de ingeniería más práctica y funcional que satisfaga un problema particular. El proceso es en esencia un ejercicio de creatividad y aplicación de conocimientos, pero requiere de un método estricto y organizado que facilita, pero no garantiza, la obtención de resultados.
Al hablar de una secuencia de pasos se quiere señalar un orden lógico, pero esto no implica una progresión lineal de tareas. De hecho gran parte del proceso es iterativo, es decir, se parten de suposiciones válidas que se prueban, se comparan, se corrigen y se vuelven a probar a través de un ciclo de operaciones, hasta satisfacer las condiciones y requerimientos del problema. Esto se discutirá más adelante.
En general, el proceso de diseño puede verse como un conjunto de bloques operacionales que requieren datos de entrada tanto al inicio como durante el proceso, y generan resultados, que son a su vez entradas del siguiente paso. Desde el punto de vista del proyecto de ingeniería, el proceso consume una gran variedad de recursos (tangibles e intangibles) y se espera obtener de él bienes, servicios y conocimientos con valor agregado.
En este punto cabe señalar que el alcance de este texto no incluye la discusión de la metodología de proyectos de ingeniería, los cuales son mucho más complejos e incluyen al proceso de diseño como una sola de sus etapas; se dejará ese tratamiento para cursos como “Proyectos de Ingeniería” y “Evaluación Financiera de Proyectos” de manera que en este curso de “Diseño de Máquinas” se centrará la atención en el aspecto técnico de diseño mecánico.
Figura 1.1. Proceso De Diseño (Caja Negra) Con Sus Requerimientos & Resultados Esperados
1.2.1 Requerimientos
Los requerimientos básicos y esenciales para iniciar un proyecto de diseño se pueden agrupar en cinco aspectos:
1.2.1.1Necesidad
El primer paso consiste, como se verá más adelante, en identificar una necesidad básica que requiera solución por medio del diseño mecánico; luego se debe complementar este planteamiento inicial con más información sobre las restricciones y requerimientos particulares del problema.
1.2.1.2Motivación
Como en toda empresa humana, debe existir una razón que justifique el esfuerzo de emprender la solución de un problema; generalmente esa motivación es económica (explotación comercial de productos, innovación, mejoramiento, productividad, eficiencia, etc.), pero también se debería tener pasión por el diseño, para que el ingeniero guste de su qué hacer y no se deje abrumar por las dificultades que pueda encontrar.
1.2.1.3Creatividad
Una importante componente, relegada en las aulas de clase, ignorada en los cursos técnicos, pero necesaria para hallar soluciones alternativas e innovadoras a viejos y nuevos problemas; no debe olvidarse que ingeniería viene de ingenio, capacidad de crear.
1.2.1.4Conocimiento
En este aspecto se agrupan los saberes científicos (teóricos), ingenieriles (aplicados) y técnicos (prácticos y operativos) necesarios para abordar el problema particular; no es indispensable (y a veces es imposible) saber todo lo necesario desde un comienzo, por lo cual se debe tener acceso constante a fuentes de información, tanto científica y técnica como comercial; igualmente es necesario que el ingeniero cuente con destrezas en el uso de herramientas de cálculo, computación y modelación, que durante el transcurso del proceso de diseño puede ir mejorando.
1.2.1.5Recursos
Materiales (materias primas, insumos, locaciones, máquinas herramientas, procesos, servicios industriales, etc.), humanos (equipo interdisciplinario de ingenieros y técnicos, operarios, profesionales de apoyo, etc), tiempo (cronograma) y dinero con qué financiar todo lo anterior. En proyectos de ingeniería se verá la complejidad de la planeación, organización, ejecución y control de los recursos, lo cual supera usualmente la dificultad del problema de diseño en sí mismo.
Resumiendo lo anterior, se puede decir que para solucionar todo problema de ingeniería es necesario saber hacerlo, querer hacerlo y tener con qué hacerlo.
1.2.2 Resultados Esperados
Como productos del proceso de diseño se espera obtener:
1.2.2.1Solución
Consiste en el diseño final aprobado de un elemento de máquina, producto, máquina o proceso productivo; incluye planos, prototipo virtual, construcción y prueba de al menos un prototipo real y especificaciones del proceso de manufactura para su producción en serie.
1.2.2.2Satisfacción O Decepción
En función del éxito o fracaso de la solución, se convierte en la motivación (positiva o negativa) para continuar con los ciclos posteriores de diseño para mejorar la solución.
1.2.2.3Conocimiento Nuevo
El proceso de diseño deja información que antes no se tenía a nivel científico, ingenieril, técnico y comercial, a lo cual se le llama experiencia y know how, y que a pesar de ser un bien intangible tiene un enorme valor. Este conocimiento se respalda mediante documentación: memorias de cálculo, manuales de instalación, operación y mantenimiento, bibliografía, información comercial, etc.
1.2.2.4Recursos Remanentes
Del proceso de diseño pueden quedar algunos materiales e insumos sin usar, pero también activos como máquinas y herramientas, y el mismo prototipo; a nivel económico, un proceso de diseño no se concibe para que genere ganancias como tal, sino como una inversión que conduce a un proceso productivo posterior del que sí se puede esperar ganancias como fruto de la comercialización (registro comercial y patentes).
Es muy importante que el diseñador, a lo largo del proceso, tenga siempre en cuenta la meta principal que es el logro de una solución factible y viable; pero también es importante que sepa
valorar y aprovechar adecuadamente los demás resultados obtenidos.
1.2.3 Pasos Del Proceso De Diseño
• Diseño Preliminar
− Planteamiento inicial de la necesidad. − Revisión del estado del arte del problema.
− Recolección de datos cuantitativos y cualitativos. − Definición del problema.
• Diseño Básico
− División en subsistemas.
− Planteamiento de alternativas de solución de subsistemas. − Selección de alternativas de solución.
− Integración de subsistemas.
• Diseño De Detalle
− Selección de elementos comerciales.
− Síntesis y análisis de piezas manufacturadas. − Integración de elementos y subsistemas. − Planos de ensamble y de taller.
• Prototipos & Pruebas
− Prototipos: virtuales (CAD 3D, CAE, CAM) y reales. − Pruebas estáticas y dinámicas.
− Retroalimentación.
• Diseño Definitivo
− Planos definitivos: detalle, taller, ensamble y explosión. − Diseño de detalles estéticos y especificación de acabados. − Construcción de la pieza en serie.
• Comunicación
− Bitácora de diseño.
− Memorias de cálculo y planos.
− Manuales de instalación, operación y mantenimiento. − Patente y registro comercial.
− Catálogos comerciales.
Figura 1.2. Etapas Del Proceso De Diseño
1.3 DISEÑO PRELIMINAR
1.3.1 Planteamiento Inicial De La Necesidad
Surge del reconocimiento de una necesidad en cualquier campo de la actividad humana. La amplia variedad de problemas puede abarcar desde lo cotidiano hasta lo altamente técnico, desde el mejoramiento de soluciones actuales hasta la invención de algo absolutamente nuevo.
Generalmente, la necesidad está enunciada en términos vagos y corrientes, pues muchas veces quien la plantea no tiene conocimientos técnicos (un ama de casa, un publicista, un gerente, un funcionario público, etc.) y es tarea del ingeniero traducir este planteamiento a un enunciado objetivo, concreto y en términos técnicos. También con frecuencia, esta persona no sabe definir bien su inquietud y/o ni siquiera tiene idea de lo que quiere; aclarar lo que se está buscando es la base de partida de la solución. Ante esto el diseñador, ojala en conjunto con el cliente, debe ampliar su conocimiento sobre el tema.
1.3.2 Revisión Del Estado Del Arte Del Problema
En todo proyecto de diseño de una máquina industrial, es indispensable recolectar toda la información posible antes de empezar a tomar decisiones; por ello, a la etapa de diseño básico
(conceptual) se antepone esta etapa de diseño preliminar donde se plantean dos interrogantes: qué información es relevante conocer para enfrentar el diseño y dónde se le puede hallar. Esta etapa se resume esencialmente en la búsqueda externa de información sobre soluciones existentes a la necesidad planteada. Supóngase que Usted trabaja para una empresa dedicada a un campo muy específico de la industria, por ejemplo ascensores de carga y pasajeros. Normalmente todos los clientes lo consultan sobre esta materia y Usted ya cuenta con la capacitación y experiencia suficientes como para saber todo lo que necesita para abordar directamente el problema y asesorar al cliente mediante catálogos. Eso es lo ideal.
Ahora suponga que trabaja para una firma de diseño, asesoría y auditoria en ingeniería, donde se abordan toda clase de retos en temas diversos. Es imposible ser un especialista en todos los campos y aplicaciones, por lo que ante un proyecto en particular, el segundo paso es hacer una búsqueda bibliográfica sobre el tema:
• Libros sobre fundamentos (mecánica de fluidos, resistencia de materiales, etc.).
• Textos sobre la aplicación específica (hidráulica, estructuras colgantes, etc.).
• Códigos y normas.
• Planos y catálogos de productos comerciales (si los hay). • Tecnología de punta (internet es una excelente fuente). • Visitas a empresas.
• Asesoría de expertos, por lo cual es indispensable entrevistarse con el personal técnico del cliente, y si la aplicación así lo exige, formar un grupo multidisciplinario (químicos, eléctricos-electrónicos, tecnólogos, etc.).
Como fruto de estas consultas, el ingeniero de diseño debe adquirir un nivel mínimo de especialización en el tema, que le permita solventar todas las inquietudes que puedan surgirle tanto al cliente como a él mismo. Tras esta etapa se puede decidir que
una solución comercial existente es lo que necesita el cliente y que no se justifica entrar en un proceso de diseño que resulte más costoso y no garantice su adecuación a todos los requerimientos y restricciones particulares del problema. También es factible que solo se requiera integrar subsistemas comerciales y adaptarlos a las especificaciones. Pero en el caso más general, se deberá abordar un diseño propio, muchas veces creativo, original e innovador, sobre todo cuando se encuentre que el problema no ha sido tratado anteriormente, o por lo menos las soluciones existentes no son satisfactorias o excesivamente costosas.
La revisión del estado del arte continúa durante todo el proceso de diseño, pues con cada decisión y logro surgen nuevas inquietudes y dificultades. Sin embargo, entre más exhaustiva sea la búsqueda de información inicial, se ahorrará posteriormente mucho tiempo y se evitarán decisiones de diseño equivocadas que impliquen sobrecostos.
1.3.3 Recolección De Datos
Cuantitativos &
Cualitativos
Esta etapa se debe llevarse en paralelo con la anterior, pues busca recoger internamente información sobre la necesidad; conviene entonces que cliente(s) y diseñador (quien cuenta ya con mayor entendimiento sobre el problema), discutan ampliamente sobre el tema y que este último formule preguntas concretas que se encaminen hacia datos particulares del problema, tanto cualitativos como cuantitativos, y que sean relevantes para la búsqueda de soluciones.
Estos datos deben obtenerse directamente del cliente, pero como ya se ha explicado, éste no tiene necesariamente una formación ingenieril y/o dominio sobre todos los aspectos técnicos del proceso, por lo que el diseñador debe utilizar los conocimientos y criterios adquiridos para responder las inquietudes no resueltas por el cliente.
La siguiente lista de verificación, donde aparecen la mayor parte de las variables y aspectos más comunes en el diseño de una máquina industrial, constituye una guía para el diseñador que le ayuda a no dejar de lado información vital para su tarea. Recuerde que esta lista es sólo una guía general, de manera que en un problema particular no todos los ítems aplican de igual manera e incluso pueden necesitarse datos adicionales.
1.3.3.1Estudio Del Proceso
Esta primera parte de la lista de verificación sirve para que el diseñador conozca el proceso, familiarizándose con los aspectos más generales para luego profundizar en los detalles técnicos específicos que determinarán el diseño de la máquina. El objetivo es que el diseñador se convierta si le es posible en un “experto” conocedor del proceso, de manera que adquiera los conocimientos y criterios necesarios para tomar decisiones de diseño acertadas. 1.3.3.1.1Objetivos Del Proceso
Enunciado general y concreto de la razón de ser del proceso. 1.3.3.1.2Descripción General Del Proceso
Explicación global del proceso: principios físicos y químicos aplicados, secuencia de operaciones y sus variantes, maquinaria utilizada en cada etapa, variables del proceso, etc.
1.3.3.1.3Variables Del Proceso
Resumen de los diferentes requerimientos y restricciones, o bien, necesidades y factores limitantes del proceso entendido como un todo.
1.3.3.1.3.1Variables Cualitativas
• Tipo de proceso: continuo o por lotes.
• Tipos y características cualitativas de las materias primas e insumos; condiciones que implican reprocesamiento.
• Tipos y características cualitativas del producto terminado.
• Máquinas empleadas en cada etapa del proceso; identificación de etapas críticas (cuellos de botella).
• Fuentes primarias típicas de energía disponibles: eléctrica, química, térmica, hidráulica.
• Servicios públicos disponibles y requeridos: electricidad, agua, alcantarillado.
• Servicios industriales disponibles y requeridos: aire comprimido, vapor, iluminación, ventilación, transporte de materiales en planta; procesamiento y disposición de desechos en aire, agua y suelos.
• Localización del proceso: zona rural o urbana, bajo techo o a intemperie, tipo de instalaciones civiles disponibles y requeridas.
• Requerimientos y restricciones para la operación y el mantenimiento; capacitación de operarios.
• Requerimientos de control y automatización. • Normatividad técnica.
• Normatividad legal (licencias ambientales, seguridad laboral, etc.).
1.3.3.1.3.2Variables Cuantitativas
• Ratas típicas de producción: para procesos continuos se puede expresar en masa o volumen por unidad de tiempo; para procesos por lotes especificar capacidad o cantidad por lote, y número de lotes por unidad de tiempo.
• Características cuantitativas del producto: peso, volumen, dimensiones básicas, composición, densidad, etc.
• Cantidades de materias primas e insumos consumidos por unidad de producción.
• Cantidades de subproductos y desechos generados por unidad de producción.
• Flujos de material entre etapas.
• Demanda energética por unidad de producción.
• Consumos de servicios públicos e industriales totales y por etapas. • Áreas disponibles y requeridas: para instalación de procesos, tránsito
de materiales y operarios, almacenamiento, etc.
• Condiciones ambientales: temperatura, presión, humedad, velocidad del aire, etc.
• Número de operarios.
1.3.3.2Estudio De La Máquina
En esta parte se pretende profundizar y particularizar la información recogida en el punto anterior, pero ahora enfocada en la máquina específica que se quiera diseñar. En ciertos casos una máquina hace todo el proceso, por lo que la mayor parte del cuestionario siguiente sería redundante. En otros casos, un proceso comprende varias etapas, en cada una de las cuales se utiliza una o más máquinas, y el diseño se debe adelantar individualmente para cada una de ellas.
1.3.3.2.1Objetivo De La Máquina
Enunciado de la función de la máquina dentro del proceso. 1.3.3.2.2Descripción General De Su Funcionamiento
Explicación de la secuencia de pasos que realiza la máquina desde la entrada de materia prima hasta la salida de producto procesado o terminado. Puede ser necesario tener en cuenta las condiciones o restricciones que imponen las etapas previas y posteriores.
1.3.3.2.3Variables De Diseño
Las variables de proceso identificadas previamente, ahora deben concretarse para la máquina específica. A parte de las ya nombradas, deben tenerse en cuenta las siguientes.
1.3.3.2.3.1Variables Cualitativas
• Tipos de máquinas existentes: explicar sus diferencias, ventajas y desventajas comparativas.
• Funciones o grados de libertad requeridos. • Métodos de alimentación y descarga. • Fuentes típicas de potencia.
• Elementos de transmisión típicos. • Mecanismos funcionales.
• Materiales de construcción.
• Disposición estructural de la máquina: horizontal, vertical.
• Necesidad de control y automatización.
• Necesidad de elementos de protección estructural, funcional, eléctrica, etc.
• Requerimientos de ensamble, instalación, operación y mantenimiento.
1.3.3.2.3.2Variables Cuantitativas
• Potencias y capacidades típicas o estándares (consultar catálogos de máquinas comerciales).
• Velocidades, fuerzas y torques típicos de operación.
• Dimensiones básicas: área en planta (teniendo en cuenta no sólo el área neta que ocupa la máquina, sino también necesidades de tránsito y mantenimiento), altura máxima, elevación desde el piso; longitud de bancada mínima, distancias entre ejes, diámetros de volteo, amplitudes de giro, etc.
• Rangos típicos de variables de proceso: presión, temperatura, flujo, nivel, densidad, humedad, etc.
• Ratas específicas de producción.
• Características específicas de materias primas y/o productos terminados.
• Consumos específicos de servicios públicos e industriales: electricidad, agua, alcantarillado, aire comprimido, ventilación, etc.
• Número de operarios.
• Vida útil y frecuencia de utilización, tiempos de operación (por ejemplo: 10 años, 300 días/año, 2 turnos diarios de 8 horas/día de lunes a sábado).
Se reitera que este listado de variables es solamente una guía, pues cada máquina es diferente y tiene condiciones particulares que otra máquina no tiene; y es allí precisamente donde la revisión del estado del arte cobra importancia para que el diseñador pueda identificar todas las características relevantes del diseño.
Finalmente se recomienda preparar un cuestionario en forma de tabla antes de cada entrevista con el cliente con el fin de no divagar y aprovechar el tiempo y que no se olvide ninguna variable; también resulta útil para ir dejando registro escrito de la
información obtenida. A continuación se muestra un ejemplo de un formato de tabla para la recolección de datos cualitativos y cuantitativos:
Tabla 1.1. Recolección De Datos Cualitativos & Cuantitativos
# VARIABLES DESCRIPCIÓN CUALITATIVA
VALORES CUANTITATIVOS
UNIDAD Vmin Vmax Vnom
1 2 3 4 5
1.3.4 Definición Del Problema
El planteamiento de la necesidad es diferente a la definición del problema. Como se mencionó, la necesidad usualmente se plantea en términos vagos y generales, pero una vez reunida toda la información descrita anteriormente, el diseñador puede entonces retomar ese planteamiento inicial y definir un problema de ingeniería estructurado, enunciado de forma concreta, objetiva y en términos técnicos. Puesto que un problema puede tener diferentes soluciones, la definición del problema exige tomar las primeras decisiones de diseño, al hacer explícito el tipo de máquina solución que probablemente se vaya a utilizar, los requerimientos que debe cumplir y las restricciones que se deben observar; de este enfoque que imponga el diseñador dependerá el rumbo que tome el proceso de diseño.
Resulta útil que parte de este enfoque de la solución (que por ahora sólo son ideas) se empiece a concretar en forma de bocetos
a mano alzada, fruto del conocimiento adquirido en los pasos anteriores. Estos bocetos también ayudan al diseñador a comunicar sus ideas al cliente para que este plantee sus conceptos al respecto y las apruebe.
En este punto el diseñador solo tiene ideas y puede ignorar todavía muchas cosas. Respuestas a las preguntas cómo, cuándo, dónde y a qué costo, pueden darse sólo con el desarrollo del proceso y es posible e inevitable que deba volver atrás para seguir investigando y replantear objetivos. Es mucho mejor arrancar con mucha información y pocas dudas, pues el costo en tiempo y dinero que implica devolverse y corregir es mucho mayor conforme se avance en el proceso de diseño.
De hecho, para la aprobación de proyectos de ingeniería es indispensable tener definidos el presupuesto y el cronograma de trabajo, lo que implica casi siempre abordar las etapas de diseño preliminar, básico y parte de detalle, antes de presentar una propuesta y saber si el proyecto se pondrá en marcha o no.
1.4 DISEÑO BÁSICO
1.4.1 Consideraciones De
Diseño Básico
De los pasos anteriores, el diseñador sabe si está enfrentado a un problema inexplorado o no. En caso afirmativo, se deben tener las nociones suficientes para decidir si se cuentan con los recursos necesarios para solucionar el problema y seguir adelante o no con el proceso de diseño. En cambio, si el problema ya ha sido abordado, el diseñador puede adoptar una solución existente o bien, buscar una solución mejorada o innovadora (esto depende en parte de los requerimientos iniciales). Tomar una solución existente es válido, sobre todo si está disponible comercialmente. En diseño hay una premisa importante: “no invente lo que ya está inventado y probado”. Una pieza comercial que se acomode a las necesidades resulta mucho más barata y confiable que una pieza
manufacturada (dependiendo entre otros factores, de la marca o modelo).
1.4.2 División En Subsistemas
Según el planteamiento científico de Descartes, todo problema, bien sea grande o pequeño, se debe dividir en partes, solucionarse en forma “separada” y luego integrarse. A esto se le llama el método de análisis y síntesis, que aplicado al diseño mecánico, plantea inicialmente la necesidad de dividir la máquina en subsistemas funcionales.
En principio, los subsistemas pueden verse como cajas negras, es decir, conjuntos de elementos que aún no se sabe qué son o qué contienen, pero sí qué función cumplen; entre los subsistemas existen entonces flujos (relaciones) de energía, materia y/o información. Cada subsistema requiere un proceso de diseño (síntesis y análisis) independiente. La designación de los subsistemas debe hacerse de forma tal que la solución pueda hacerse de la manera más independiente posible. Si hay dos cosas que dependen mucho la una de la otra deben agruparse mejor en una sola. Estas relaciones pueden visualizarse mejor mediante un cuadro esquemático.
Figura 1.3. División De Una Máquina En Subsistemas Básicos Esenciales
Un ejemplo básico de división de subsistemas es el siguiente: • Chasis.
• Fuente de potencia mecánica (motor). • Transmisión de potencia.
• Mecanismos y actuadores. • Sistema hidráulico (neumático). • Sistema eléctrico.
• Controles y elementos electrónicos. • Elementos de seguridad.
• Cubiertas y elementos estéticos.
Es conveniente usar esquemas y bosquejos como ayuda para la definición de los subsistemas y de los elementos que los constituyen. Por ejemplo, si se tiene una idea básica del conjunto y sus dimensiones básicas a partir de una máquina existente o un concepto definido de ella, puede intentarse una distribución espacial preliminar por medio de bocetos (sketches) hechos a mano. Los esquemas conceptuales como los de la Figura 1.3,
ayudan por su parte a definir las relaciones de dependencia entre los subsistemas.
Para el subsiguiente planteamiento de alternativas y selección de soluciones, se debe seguir un orden recomendado entre los diferentes subsistemas. Siempre debe analizarse primero los subsistemas funcionales o actuadores, porque todos los demás elementos de la máquina deben supeditarse al cumplimiento de la función principal de la máquina. Luego se sigue con las fuentes de potencia, los sistemas de transmisión, sistemas de protección y control (si existen) y por último el subsistema estructural. Por ejemplo, si se elige un pistón hidráulico como actuador en uno de los subsistemas funcionales, éste implica que tanto la fuente de potencia como la transmisión usadas deben ser hidráulicas.
1.4.3 Planteamiento De
Alternativas De Solución De Subsistemas
Muchos diseñadores con experiencia toman los subsistemas y los solucionan intuitivamente, es decir, escogen una solución que en su criterio de ingeniería es la más recomendable, práctica y económica; dicho criterio se obtiene con la experiencia de trabajo en proyectos similares complementado por un conocimiento teórico obtenido a partir de la búsqueda bibliográfica. Para proyectos más complejos o innovadores, es recomendable formar un grupo de expertos (preferiblemente interdisciplinario) que se reúna para hacer una lluvia de ideas proponiendo diferentes alternativas y enfoques de solución, lo que también es aplicable en la etapa de definición del problema. Sin embargo, no es necesario plantear 5 o 10 alternativas de solución antes de continuar con el proceso; generalmente las opciones prácticas son limitadas (2 a 4) dependiendo del elemento que se esté definiendo, y estarán siempre condicionadas a factores externos como dinero, disponibilidad tecnológica, tiempo, etc.
1.4.4 Selección De Alternativas De Solución
A veces ocurre que entre un número limitado de opciones, es fácil distinguir entre las absurdas o de imposible realización, de las que son viables y entre estas últimas, la más conveniente y óptima. En otros casos es difícil tomar una decisión cuando hay muchas opciones y son similares en su viabilidad. Para facilitar el análisis de las diferentes alternativas y la toma de decisión, conviene hacer una tabla de ventajas y desventajas comparativas. Como criterios de calificación se puede considerar la sencillez (entre menos piezas móviles menor probabilidad de falla), facilidad y costo de instalación, operación y mantenimiento, resistencia, durabilidad, peso, seguridad, estética, etc. A cada criterio se le puede asignar un peso o porcentaje de calificación de acuerdo con su importancia, de manera que al final se sume y se elija la alternativa con mejor calificación total. En caso de que el diseño se lleve a cabo por un equipo de trabajo, se promedian las calificaciones de cada diseñador.
Tabla 1.2. Ventajas & Desventajas
SUBSISTEMA ALTERNATIVA VENTAJAS DESVENTAJAS CALIFICACIÓN
S1 A 4.5 B 2.5 C 6.0 S2 A 2.0 B 3.5 C 4.5 D 3.0 1.4.5 Integración
Aunque sea un solo diseñador el que tome las decisiones de solución de cada subsistema, y se espere que éstas sean congruentes, siempre es necesario hacer una integración conceptual con el fin de verificar si los subsistemas elegidos son compatibles desde el punto de vista funcional. Por ejemplo, que la transmisión elegida sea cualitativamente compatible con el tipo de aplicación y las condiciones de operación de la máquina impulsada y por otro lado, que sea compatible con la fuente de potencia mecánica seleccionada.
Sin embargo, como en esta etapa aún no se han realizado cálculos de diseño o selección y la calificación de alternativas es prácticamente cualitativa, es muy difícil saber en este punto si los sistemas podrán funcionar o no, hasta tanto no se adelante el diseño de detalle. Debido al carácter iterativo de muchos procedimientos de diseño y selección, es frecuente que algunas decisiones se deban cambiar, por lo que la flexibilidad es una característica natural de un proceso de diseño; sin embargo, se
debe tratar de minimizar estos cambios para evitar sobre costos y pérdida de tiempo en la ejecución del proyecto.
1.5 DISEÑO DE DETALLE
1.5.1 Consideraciones Del
Diseño De Detalle 1.5.1.1Factores De Diseño
A continuación se enuncia una corta lista de los múltiples factores que un diseñador debe tener en mente a la hora de llevar a cabo un procedimiento detallado de diseño o selección. Mantener siempre presentes todos estos factores es algo realmente difícil y solo con el tiempo, el diseñador logrará adquirir la experiencia y destrezas necesarias para combinar todos estos factores y no obviar ninguno.
• Resistencia • Confiabilidad • Propiedades físico
químicas.
• Corrosión • Desgaste • Fricción
• Procesamiento • Utilidad • Costo
• Seguridad • Peso • Duración
• Ruido • Estilización • Forma
• Tamaño • Flexibilidad • Control
• Rigidez • Acabado Superficial • Lubricación
• Mantenimiento • Volumen • Normas &
Estándares
• Factores De
Seguridad •
Responsabilidad Legal
1.5.1.2Pasos Para El Dimensionamiento De Las Piezas
• Tomar la mayor cantidad de datos numéricos.
• Calcular flujos de masa y energía en cada subsistema: potencia, torque y velocidad angular (o fuerza y velocidad lineal).
• Seleccionar los elementos comerciales de acuerdo con esos flujos. • Levantar planos de los elementos comerciales.
• Dimensionar a partir de elementos comerciales.
1.5.1.3Determinación De Medidas, Magnitudes & Formas
• Fijas por relaciones con elementos comerciales.
• Calculadas a partir de síntesis de mecanismos, resistencia de materiales.
• Libres pero sujetas a: medidas nominales de materiales, procesos de manufactura, diseño de detalle.
1.5.2 Selección De Elementos Comerciales
Los elementos comerciales son el factor limitante del cual se debe partir para el dimensionamiento de las piezas manufacturadas. Dado que vienen en tamaños, capacidades y referencias discretas y limitadas, se deben seleccionar de un catálogo técnico comercial de acuerdo con los flujos de masa y energía estimados. Hay que resaltar que los “rebusques” son indeseables, incluso en prototipos de prueba; por razones de producción y mantenimiento, todas las piezas que se seleccionen deben ser normalizadas y estar disponibles comercialmente.
Los catálogos técnicos aportan la información básica de la pieza: dimensiones, material, peso, capacidad, etc. Es imprescindible acceder a estos datos, incluso antes de decidir la compra del elemento, para lo cual se recomienda buscar asesores técnicos capacitados y no simplemente representantes comerciales. Dependiendo del tipo de pieza (rodamientos, bandas, cadenas), es necesario seguir un procedimiento de dimensionamiento o selección particular, que incluye el uso de fórmulas y tablas que aportan los catálogos técnicos del fabricante.
1.5.3 Síntesis & Análisis: Ciclo Iterativo
Síntesis se podría definir como crear, inventar, solucionar, definir, integrar; mientras que análisis supone dividir, descomponer, evaluar, calcular, corregir, replantear. Estos dos pasos del proceso de diseño son simbióticos, pues no se puede analizar algo que no
existe, ni tampoco es factible que la primera solución que se sintetice sea no solo correcta, sino óptima (en esto juega mucho la experiencia del diseñador).
En el diseño mecánico la síntesis y el análisis constituyen un ciclo iterativo y no un procedimiento de cálculo directo, ya que en todo modelo de cálculo intervienen múltiples variables incógnitas que dependen unas de otras. Esto hace necesario partir de datos disponibles y supuestos, y siguiendo una secuencia lógica de operaciones, generar resultados parciales que se comparan con las restricciones iniciales del problema (o bien factores de seguridad o estándares); finalmente se aprueba la solución o se corrigen las suposiciones y se inicia de nuevo el ciclo.
1.5.3.1Síntesis De Pieza
1.5.3.1.1Datos De Entrada
• Barra cinemática: relaciones de fuerzas y movimientos con otras piezas.
• Fuerzas: magnitud y naturaleza de las cargas (internas o externas). • Restricciones y consideraciones: costo, tamaño, dimensiones de piezas
comerciales.
• Factores de servicio: confiabilidad, aplicaciones, ambientes especiales. 1.5.3.1.2Resultados
• Forma de la pieza. • Material.
• Dimensiones, tolerancias, ajustes y acabados (de maquinado).
• Proceso de manufactura: secuencia, especificaciones, ensamble, acabados superficiales.
1.5.3.2Análisis De Pieza
1.5.3.2.1Datos De Entrada
• Cargas externas: magnitud y naturaleza, pueden ser datos del problema general o resultados de la síntesis de otras piezas.
• Cargas internas: magnitud y naturaleza, calculadas a partir de la cinemática y las propiedades de masa (peso, inercias, centro de masa, ejes principales) provenientes de la síntesis.
• Propiedades del material propuesto (teniendo en cuenta TODOS los fenómenos que se presentan).
• Propiedades de área y masa de la pieza supuesta. • Modelo de cálculo.
1.5.3.2.2Resultados
¿Cumple restricciones y consideraciones? (factores de seguridad, vida útil, etc.).
• NO:
− Repetir El Ciclo. • SI:
− Diseño de pieza “definitivo”: pueden producirse cambios posteriores durante el diseño de piezas conexas (integración).
− Memorias de cálculo: por escrito o programa con reporte de datos de entrada y resultados.
− Planos de taller (combinables luego en planos de ensamble y explosión del conjunto).
− Programa de mantenimiento preventivo.
1.5.4 Integración
Se hace la integración de los subsistemas dependiendo de cómo hayan sido diseñados. Pueden presentarse problemas diversos, tales como interferencia física entre elementos, inconsistencias, omisiones, incompatibilidad entre piezas manufacturadas y elementos comerciales; diferencias en sistemas métricos, capacidades y/o tolerancias. Muchos de estos problemas surgen cuando diferentes personas o departamentos participan en el proyecto; se necesita una excelente coordinación y la implementación de un proceso de diseño paralelo y simultáneo con retroalimentación continua. Si el diseño es individual, aún es
necesaria la sincronización constante entre las soluciones de los diferentes subsistemas.
1.5.5 Planos De Ensamble & De Taller
Durante la realización de los planos de ensamble se verifican la consistencia y compatibilidad entre las diferentes piezas sintetizadas y/o las piezas comerciales seleccionadas. Los programas CAD y CAE incluyen herramientas de ensamble que identifican entre otros problemas, las interferencias dimensionales entre piezas. Igualmente, los planos de ensamble y explosión le permiten al diseñador evaluar detalles de manufactura, ensamble, funcionalidad y mantenimiento que omitió o no pudo analizar durante la síntesis individual de las piezas.
Los planos de taller deben especificar hasta el último detalle dimensional y de manufactura de cada una de las piezas, utilizando el debido formato y simbología. Los programas CAD generan automáticamente las vistas y cotas a partir de la pieza tridimensional, permitiendo además la adición de anotaciones, detalles, listas de materiales, etc.; para esto algunos programas cuentan con librerías de formatos y símbolos según diferentes normas, y librerías para el dibujo de piezas comerciales normalizadas, como por ejemplo los tornillos.
1.6 PROTOTIPOS & PRUEBAS 1.6.1 Prototipos: Reales &
Virtuales (Cad 3d, Cae, Cam)
Dependiendo del objetivo inicial y de las limitaciones de dinero y tiempo, el proceso de diseño puede concluir en una máquina definitiva; o bien, en un prototipo parcial de prueba. En el primer caso, el diseñador debe utilizar unos modelos de cálculo muy confiables con el fin de minimizar riesgos de falla, o en su defecto,
usar factores de seguridad elevados de acuerdo con la aplicación, pero teniendo en cuenta que se restaría eficiencia a la máquina y aumentaría su costo.
Cuando el diseñador sabe que al concluir el prototipo se harán pruebas, entonces puede ser más audaz en la asignación de factores de seguridad (acercándose a 1). Pero si esto no es posible, debe ser bastante conservador y elevar el factor de seguridad, dependiendo de lo confiable del modelo de cálculo, la aplicación y las recomendaciones de las normas existentes acerca del tema.
Lo ideal es la construcción de un prototipo para la realización de pruebas, con el fin de validar los modelos de cálculo, comprobar la resistencia y durabilidad de la máquina, y detectar y corregir los defectos y omisiones. Sin embargo, los programas de CAD, CAE y CAM se usan para crear prototipos virtuales que permiten no sólo detectar y corregir tempranamente errores de diseño, sino también realizar análisis de esfuerzos, deformación y fatiga mediante técnicas avanzadas como el análisis de elementos finitos; estos prototipos virtuales ahorran mucho dinero representado en tiempo, materiales y costos de manufactura.
1.6.2 Pruebas Dinámicas
Deben realizarse tanto a modelos definitivos como a prototipos, con el fin de validar los modelos matemáticos en cuanto a suposiciones y aproximaciones. En principio, las pruebas deben cubrir todos los rangos y condiciones de operación normales y luego, ensayar bajo condiciones críticas y extremas como por ejemplo el arranque en carga o el paro súbito. Los prototipos permiten la realización de ensayos destructivos donde se alcanzan los límites de resistencia última, fluencia y/o fatiga.
Obviamente la estricta evaluación de las pruebas requiere de la disponibilidad de una gran cantidad de mediciones confiables, lo que implica a su vez la necesidad de incurrir en inversiones
tecnológicas, tales como instrumentación (galgas extensométricas, celdas de carga, etc.), bancos de prueba especialmente diseñados y la contratación o capacitación de personal que lleve a cabo los procedimientos (preferiblemente bajo normas internacionales). Solamente algunas empresas de mucho capital invierten en departamentos de calidad con laboratorios propios donde se hacen pruebas exhaustivas, que aunque costosas, resultan económica y técnicamente justificables; otra alternativa más económica es subcontratar las pruebas de materiales y piezas críticas con laboratorios certificados.
1.6.3 Retroalimentación
De los resultados obtenidos en las pruebas se deben corregir tanto los datos numéricos estimados como los modelos matemáticos utilizados. Esto dará pie a cambios en geometría y materiales de piezas manufacturadas, cambios de referencias de piezas comerciales y mejoramiento de los factores de seguridad de diseño y reales. 1.7 DISEÑO DEFINITIVO 1.7.1 Diseño De Detalles Estéticos & Especificación De Acabados
Como se dijo anteriormente, los detalles estéticos son uno de los factores de diseño a tener en cuenta, pero casi siempre el ingeniero centra más su atención en los factores técnicos, omitiendo o postergando la consideración de los primeros. En muchos elementos de uso diario, la ergonomía y el confort son claves en la aceptación y uso de los mismos tales como los automóviles, las herramientas, etc.; y dado que a menudo están asociados a tamaños, formas y materiales, deben tenerse en cuenta como restricciones iniciales del problema. En muchos
casos, la búsqueda tardía de características estéticas puede llevar a cambios importantes en el prototipo, e incluso, pueden originar procesos de rediseño independientes.
Los acabados, además de fines estéticos, pueden cumplir también requerimientos funcionales y de protección (acabados de mecanizado, tratamientos superficiales, pinturas, etc.) y deben incluirse como parte de los procedimientos de manufactura.
1.7.2 Planos Definitivos:
Detalle, Taller, Ensamble & Explosión
Después de actualizar y sincronizar los cambios decididos a partir de las pruebas del prototipo, se obtienen como resultado modelos de cálculos corregidos y planos definitivos de taller, ensamble y explosión de piezas que harán parte de la documentación y comunicación del proyecto.
1.7.3 Construcción De La Máquina (Pieza) En Serie
Desde el principio el diseñador debe tener claro si el objetivo del proceso de diseño es la obtención de una máquina única y definitiva, o bien, un prototipo de fabricación en serie. La diferencia radica en el grado de especificación del proceso de manufactura. En el caso de un modelo único, muchos procesos se subcontratan pues no se justifica la adquisición de maquinaria y herramienta ni la implementación de procedimientos, mientras que para la fabricación en serie, los procesos son tan importantes como la pieza y deben especificarse y documentarse detalladamente.
1.8 CIERRE DEL PROYECTO & COMUNICACIÓN
1.8.1 Bitácora De Diseño
Llevar un cuaderno o fólder con hojas numeradas y con toda la secuencia del diseño:
• Bocetos (sketches).
• Datos iniciales dados y supuestos. • Modelo de cálculo.
• Decisiones de corrección o cambio justificadas (para el caso de piezas de producción).
• Catálogos y planos de piezas comerciales utilizadas. • Datos de proveedores y precios de lista.
• Seguimiento del cronograma y presupuesto de trabajo. • Planos definitivos completos.
• Especificaciones de manufactura y acabado.
• Manuales: instrucciones de ensamble, instalación, operación y seguridad.
• Programa de mantenimiento.
La importancia de conservar en forma organizada esta documentación radica en:
• El registro detallado de la secuencia de diseño facilita enormemente la revisión del diseño y el análisis de fallas.
• Es soporte técnico, contractual y legal en el caso de auditoria o demandas por responsabilidad civil.
• Resumida y complementada, se convierte en memorias de cálculo del proyecto que se entregan al cliente externo, o se convierten en parte del archivo de la Empresa.
• Es base documental para la solicitud de patentes.
• Comprende en forma escrita gran parte del conocimiento y experiencia generados durante el diseño: éste es el mayor valor agregado intangible del proyecto.
