Apuntes Tema 1
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INTRODUCCION AL DISEÑO DE MAQUINAS
1. CRITERIOS DE DISEÑO
2. DISEÑO Y ANÁLISIS DE MÁQUINAS:
CÁLCULOS APROXIMADOS, MEF, PROTOTIPOS
3. SELECCIÓN DE MATERIALES: PROPIEDADES
CUALITATIVAS Y CUANTITATIVAS
4. COEFICIENTE DE SEGURIDAD EN DISEÑO DE
MÁQUINAS
Watt steam engine
1. CRITERIOS DE DISEÑO
1. Un criterio de diseño es aquella característica que influye en el diseño de un
elemento o de un sistema
2. Criterios de diseño más comunes:
a) Resistencia/esfuerzo
b) Distorsión/deflexión/rigidez.
c) Seguridad.
d) Confiabilidad.
e) Coste
f) Fabricación
g) Peso.
h) Vida
i) Estilo
j) Forma
k) Tamaño
l) Propiedades térmicas
m) Estado superficial
n) Lubricación
o) Mantenimiento
p) Responsabilidad legal
2. DISEÑO Y ANALISIS DE MAQUINAS: CALCULOS APROXIMADOS,
MEF, PROTOTIPOS
1. El diseño de un elemento o pieza comienza siempre por un predimensionado
aproximado. Una vez predimensionado, se decide sobre la necesidad o no de
realizar un análisis de su comportamiento
2. Una vez obtenidos los resultados del análisis se realizan modificaciones en el
diseño original, buscando un diseño óptimo a base de ciclos de prueba-error.
3. Al analizar una pieza, es preciso decidir el procedimiento de análisis (se suelen
combinar, no son excluyentes):
a) Métodos tradicionales (cálculos manuales): derivados de la Tª de
Elasticidad, Resistencia de Materiales, Tª de Estructuras, Tª de Vibraciones…
b) Métodos numéricos por ordenador (CAE): permiten realizar análisis que
los métodos tradicionales no pueden abordar
c) Ensayos experimentales: los más importantes son los de propiedades de los
materiales (sobre probetas), y los de funcionamiento en condiciones de
servicio (sobre prototipos)
3. SELECCIÓN DE MATERIALES: PROPIEDADES CUALITATIVAS Y
CUANTITATIVAS
1. El buen funcionamiento de los componentes y sistemas de máquinas depende
en gran medida de los materiales que especifique el diseñador
2. Conocer las propiedades permite seleccionar el material más adecuado
considerando además otros aspectos de sentido común. Las más importantes:
a) Propiedades resistentes y fiabilidad de las mismas
b) precio de la materia prima
c) proceso de fabricación
d) manipulación, transporte y almacenaje
e) facilidad de reparación
f) garantías del suministrador en cuanto a continuidad y plazos de entrega
g) viabilidad, coste y precisión de los métodos de análisis
3.1. PRINCIPALES PROPIEDADES MECANICAS CUALITATIVAS
1. Homogeneidad: un material es homogéneo cuando tiene las mismas
propiedades en todos sus puntos
2. Isotropía: cuando el material tiene las mismas propiedades en todas
direcciones
3. Elasticidad: es la capacidad para recuperar la forma original una vez que se
eliminan las solicitaciones que actúan sobre la pieza
4. Linealidad: un material es lineal cuando la curve tensión-deformación es una
recta. No debe confundirse con la elasticidad
5. Plasticidad: es la capacidad de deformarse sin romper, dentro de un límite de
tensión, pero que una vez eliminada la solicitación no desaparece completamente
la deformación
6. Ductilidad y fragilidad: un material dúctil posee una gran deformación εu en la
rotura, que corresponde con una zona plástica amplia. Un material frágil rompe
con una deformación pequeña, aunque la tensión σu pueda ser elevada
3.2. PRINCIPALES PROPIEDADES MECANICAS CUANTITATIVAS
1. Resistencia a la tracción: también denominada tensión última, σu, es la tensión
de la probeta en el momento de la rotura en el ensayo de tracción.
2. Resistencia de fluencia: tensión σyp a partir de la cual la deformación crece
rápidamente sin incremento de fuerza exterior, en forma plástica y permanente.
3. Resistencia a la cizalladura: existen elementos de máquina que soportan cargas
de cizallamiento. La resistencia a la cizalladura es la fuerza que produce la rotura
entre el área de la sección recta de la probeta
4. Resistencia a torsión: este concepto no se usa tanto mucho, pues el
comportamiento a torsión se puede estudiar a partir del ensayo de tracción.
5. Resiliencia: es la capacidad de un material para absorber energía elástica. Su
medida es el módulo de resiliencia y se obtiene del diagrama de tracción
6. Tenacidad: es la capacidad de absorción de energía de un material hasta su
rotura. El módulo de tenacidad estática es el área comprendida debajo del
diagrama de tracción.
7. Dureza: es la resistencia de un material a ser penetrado; es una medida de la
resistencia al desgaste. Los procedimientos Brinell y Rockwell son los más
utilizados en elementos de máquina. En aceros, para cálculos aproximados:
8. Resistencia a la fatiga : los elementos sometidos a esfuerzos variables fallan
por fatiga al cabo de miles o millones de ciclos, fallan por fatiga. La resistencia a
fatiga hace referencia a este fenómeno.
9. Creep (cedencia térmica):, fenómeno por el cual a temperaturas relativamente
elevadas la deformación de una pieza sometida a tensión estática aumenta
progresivamente con el tiempo, aun con tensión por debajo de 𝜎yp.
4. COEFICIENTE DE SEGURIDAD EN DISEÑO DE MAQUINAS
1. El coeficiente de seguridad (CS) proporciona un margen de seguridad para
reducir el riesgo de fallo hasta un “nivel aceptable”. Cubre diferentes factores:
a) no se conocen suficientemente determinados factores
b) determinados factores son de índole estadística y no se desea realizar un
estudio probabilístico
c) determinados factores se simplifican con hipótesis simplificativas
2. El CS puede tener diversas formas en diseño mecánico: tensional, de
deformación, de desplazamiento, de duración, de desgaste…
3. En su forma mas sencilla se define como el cociente.de dos valores: el fallo
(valor que incapacita la pieza para cumplir adecuadamente su misión) en el
numerador y el admisible en el denominador.
4. Al ser la mayoría de los componentes mecánicos de acero, hay que distinguir
entre aceros con comportamiento dúctil o frágil en las condiciones de servicio:
a) en materiales dúctiles, la tensión de fallo es la de fluencia (implica
una deformación elevada y permanente)
b) en materiales frágiles, la tensión de fallo es la de rotura (implica la rotura
de la pieza)
5. En materiales dúctiles se tiene una seguridad adicional: la zona plástica frente
a rotura. Los materiales ductiles “avisan” antes de romper, mientras que en
frágiles la rotura es repentina y sin previo aviso. Así, se recomienda CSf ≈ 2· CSd
6. La selección y tipo de CS es una de las decisiones de diseño mas importantes:
a) En sistemas son de responsabilidad, por el riesgo de daños humanos o
medioambientales, se usan CS legislados, de obligado cumplimento.
b) Un criterio es basarse en la experiencia de la empresa, ya que los
valores son los adecuados para su metodología de trabajo.
c) Si no se dispone de datos, existen tablas de recomendaciones de valores
habitualmente utilizados en diseño y análisis mecanico.
Para materiales dúctiles:
CS ≥ 1,25. Para análisis deterministas
1,25 ≤ CS ≤ 1,5. Para material de comportamiento ductil con una fiabilidad excepcional,
en condiciones de trabajo muy previsibles, con solicitaciones estáticas bien conocidas y
utilizando métodos de cálculo precisos
1,5 ≤ CS ≤ 2,0. Materiales ductiles de propiedades bien conocidas, condiciones
ambientales relativamente constantes y poco agresivas, sometidos a solicitaciones estáticas
bien conocidas y tal que se puedan realizar cálculos fiables
2 ≤ CS ≤ 2,5. Materiales ductiles de calidad media para piezas en condiciones de trabajo
no muy exigentes ni agresivas, sometidas a cargas estáticas y esfuerzos que pueden
determinarse con cierta aproximación
2,5 ≤ CS ≤ 3,0. Materiales dúctiles en los que no hay una referencia conocida de la
fiabilidad de los valores de sus propiedades resistentes, o sometidos a cargas estáticas que
pueden ser determinadas con cierta precisión
3,0 ≤ CS ≤ 4,0. Tan solo para el caso de materiales poco conocidos, en condiciones de
trabajo inciertas. En lo posible debe tratar de evitarse esta situación.
Para materiales frágiles:
Valores indicados arriba x2