Estudio Conceptual de Elementos de Maquinas e Diseno Cap1-02

Versión 2014

CAPITULO 1 ESTUDIO CONCEPTUAL DE ELEMENTOS DE MÁQUINA. EL DISEÑO División 1 Introducción de la Asignatura

UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan

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1. Introducción y Contexto General Las notas que se exponen a continuación son una introducción para los alumnos de la asignatura Elementos de máquinas de la carrera de Ingeniería Mecánica de la Facultad Regional Bahía Blanca de la Universidad Tecnológica Nacional. Se pretende que el uso de estas notas sirva para: 

Introducir al alumno en los diferentes tipos de enlaces y/o conexiones que tiene la ingeniería mecánica con otras ramas del conocimiento y la importancia de la utilización inteligente de cada una de ellas.



Introducir el concepto de diseño en el ambiente de la ingeniería y proporcionar herramientas para el proceso de diseño y de cálculo.



Analizar los mecanismos de falla de piezas bajo efectos de carga constante y examinar el efecto bajo cargas fluctuando en el tiempo y en situaciones inestables.



Considerar el análisis y diseño seguros de varios elementos de máquinas como árboles, engranajes, embragues, frenos, etc.

En el curso se expondrá lo que significa “diseño” o “diseñar” y las razones que impulsan a encarar el problema de diseñar algo y como calcularlo. El diseño se ejemplificará en particular a partir de que los estudiantes formen parte de una especie de oficina donde el estudio de la asignatura se vea como una aproximación realista a la futura práctica profesional, entendiendo por ello, utilizar diversas herramientas analíticas, experimentales y computacionales en un amplio marco que abarca la aplicación de métodos analíticos convencionales como también normalizados (p.e. normas ISO, AISI, SAE, AGMA, ASME, etc.) hasta análisis extensivos del método de elementos finitos, síntesis en dinámica de cuerpos rígidos aplicados al desarrollo y construcción de una minimáquina real. Esta experiencia debe asegurar que los estudiantes tengan la sensación de estar resolviendo problemas reales con la exigencia de asumir creatividad y el pensamiento crítico. En el curso se adoptará un enfoque matemático simple basado en la teoría de resistencia de materiales para explicar el comportamiento básico de los elementos y para poder establecer algunas herramientas analíticas sencillas con las cuales acotar los márgenes de seguridad de la pieza. Aún así se dará importancia a enfoques matemáticos más generales, provenientes de la teoría de la elasticidad para permitir comprobar que si bien los modelos matemáticos sencillos ayudan a la compresión global de un problema, difícilmente reflejen todos los matices del comportamiento real, debiendo establecerse las correspondientes limitaciones de uso. Es pues que aquí se introduce el primer LEMA del curso:

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LEMA 1: Los Ingenieros deben ser precavidos en establecer afirmaciones contundentes sobre temas de ingeniería basados sobre el conocimiento práctico adquirido a través del empirismo exclusivamente o a través de la teoría exclusivamente. Pues aunque la experiencia práctica es de invaluable importancia, los problemas que surgen en ingeniería difícilmente puedan ser estrictamente parangonados a otros existentes ya estandarizados. Aún así, el conocimiento empírico adecuadamente sistematizado suministra inobjetables información en el momento de tomar decisiones sobre determinado diseño. Los estudiantes pueden completar las descripciones necesariamente breves del curso consultando los textos de la bibliografía y referencias suministrados por la cátedra. Así mismo INTERNET es un recurso descriptivo sumamente útil y extenso, pero cuyo uso debe ser selectivo con un origen seguro y contrastado. En la práctica, algunos componentes se diseñan bajo pautas extendidas en códigos y normas cuya aplicación podría ser desastrosa si ellos se tratan como los libros de recetas. Mientras no hay nada intrínsecamente malos con las recetas – con tal que sus limitaciones se entiendan claramente – es un hecho que a menudo los códigos se aplican indiscriminadamente. A lo largo del curso se proporcionan pautas para ayudar con la aplicación inteligente de algunos códigos importantes (ASME y AGMA), apuntando a no correr riesgos innecesarios al saber encuadrar apropiadamente el problema a las limitaciones de la norma, y a saber estipular un esquema de solución al problema cuando éste no se encuadre en la norma. Un objetivo sumamente importante del curso es preparar a los estudiantes para que en sus carreras subsecuentes, no se desempeñen necesariamente como diseñadores o calculistas exclusivos”, pero sí para que “resuelvan hábilmente problemas reales”. Más bien se espera que los estudiantes demuestren: 

La comprensión de las razones por las cuales cierto procedimiento se usa para interpretar el comportamiento de un componente particular



La apreciación de las tendencias generales de tal comportamiento.



La habilidad de modificar el componente para satisfacer económicamente un problema de diseño entre manos.



La capacidad de desenvolverse con las herramientas de análisis y cálculo que tengan a disposición.



La capacidad de elaborar pequeños proyectos de diseño y defender las ideas desarrolladas.

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

La habilidad de intercambiar y asimilar ideas, criterios o métodos provenientes de otras ramas del conocimiento.



La pericia de encadenar conceptos de las variadas áreas de la ingeniería mecánica para la consecución de un producto de diseño.

Como primer paso para el desarrollo de los contenidos y objetivos de la asignatura, se debe ver primordialmente el carácter INTEGRADOR que posee la misma, poniendo énfasis en los vínculos que existen con las demás asignaturas. Para establecer las vinculaciones entre los contenidos se pueden definir una serie de problemas básicos de la ingeniería mecánica en cuanto a sus facetas de diseño y cálculo. 

Problema de diseño original



Problema de aceptación de componentes



Problema de rediseño alternativo



Problema de repotenciación.



Problema de verificación.



Problema de optimización de comportamiento mecánico



Problema de optimización de costo.

2. Contexto como Asignatura Integradora La asignatura Elementos de Máquinas, es dispuesta en el plan 95 de la UTN, como asignatura Integradora en el cuarto nivel. Esto significa que en el contenido de la misma se compendian o utilizan muchos de los conocimientos adquiridos en los cursos anteriores. La asignatura se halla enlazada con los contenidos de los cursos previos y del mismo nivel, según se muestra en el siguiente diagrama de la Figura 1.1.

Figura 1.1. Relación y ubicación de la asignatura Elementos de máquinas frente a otras asignaturas

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Así pues, de la Figura 1.1, se puede observar la importancia de los contenidos de las asignaturas básicas, complementarias y tecnológicas como sustento para el curso de elementos de máquinas, como también la interrelación con asignaturas del mismo nivel. En la Figura 1.2 se pueden apreciar con mayor precisión, las conexiones que existen entre los contenidos de la asignatura elementos de máquinas con otras áreas de la ingeniería.

Figura 1.2. Desgranamiento de las interrelaciones de la asignatura con otras áreas.

La Figura 1.2 es suficientemente esquemática como para dar a entender en un golpe de vista los alcances de la asignatura. No obstante, a continuación se extenderá la noción de los contenidos completos de tales conexiones, a modo de síntesis orgánica para el alumno. En la Tabla 1.1 se puede observar el esquema de vinculación de diferentes asignaturas de los primeros tres niveles con “Elementos de Máquinas” y sus contenidos más relevantes. Así pues, se puede ver que los contenidos de Física junto con los de Análisis Matemático serán empleados en el estudio aplicado de diagramas de cuerpo libre, funciones de fuerza, las leyes de movimiento, de balances energéticos (asociados también con Termodinámica), las leyes de fricción, etc. Los contenidos de Probabilidad y Estadística serán empleados para establecer relaciones probabilísticas de las propiedades de los materiales y su influencia en la seguridad y/o confiabilidad de un diseño y cálculo. Los conceptos de mecánica del sólido serán empleados para el análisis cinemático y cinético de mecanismos como también en el análisis de movimiento de cuerpos sólidos. Los conceptos y contenidos de Estabilidad y de las tecnologías como Conocimiento de materiales y Ensayos Industriales son pilares para los aspectos estrechamente relacionados con el cálculo de resistencia de las piezas involucradas como también los problemas asociados a esta práctica: verificación y dimensionado de componentes estándares. Finalmente (lo que no significa estrictamente que la lista de conexiones concluya aquí), los contenidos de la asignatura Mecánica de los Fluidos serán

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utilizados para interpretar las leyes de la lubricación y sus aplicaciones en el cálculo de componentes mecánicos como los cojinetes por fricción.

Tabla 1.1. Relación de los contenidos de otras asignaturas con elementos de máquinas

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