generalidades de mecanismos

Generalidades de mecanismos Diseño de componentes mecánicos

Índice • Introducción • Competencias terminales • Competencias específicas 1 Introducción al diseño en ingeniería mecánica. 1.1 Fases del diseño. 1.2 Consideraciones del diseño. 1.3 Métodos de diseño. 1.4 El concepto del Conjunto mecánico. 1.5 Sistemas de unidades.

Índice 1.6 Ajustes y Tolerancia. 1.6.1 Tolerancia Aspectos básicos y consideraciones. Magnitud de la tolerancia y grados de calidad. Posición, designación y valor de la tolerancia. Tolerancia vs. costo 1.6.2 Ajuste Juego, apriete e indeterminado Sistemas de ajustes.

Índice 2 Transmisión de potencia y relación de transmisión. 2.1 Trabajo y potencia. 2.2 Relación de transmisión. 2.3 Eficiencia de transmisión. 2.4 Relación transmisión engranajes. 3 Uniones no permanentes. 3.1 Pasadores, chavetas y lengüetas. 3.2 Selección de pasadores, chavetas y lengüetas.

Introducción (a la unidad) • Debido al rápido desarrollo industrial y tecnológico, se hace necesario dar respuesta a los problemas que enfrenta ese sector, con la misma velocidad y eficiencia desde el diseño. • El uso de elementos como el computador permite además proveer de calidad a las respuestas que el sector industrial requiere. • El ingenio, la innovación y la creatividad son parte de esa respuesta.

Competencias Terminales • Selecciona adecuadamente las tolerancias y ajustes requeridos para diferentes componentes de máquinas. • Calcula las diferentes velocidades existentes en un sistema de transmisión y su relación con la potencia transmitida. • Selecciona chavetas, lengüetas y ejes estriados en función de la carga a transmitir.

Competencias específicas • Precisa las etapas de un proyecto. • Calcula e interpreta las tolerancias y ajustes de ejes y agujero. • Relaciona potencia, torque y velocidad en sistemas de transmisión.

• Tema 1

Introducción al diseño

Capítulo 1: Introducción Es preferible obtener una respuesta razonablemente aproximada pero rápida que le indique si el diseño funciona o no, que invertir más tiempo y obtener el mismo resultado sólo que con más decimales. Robert L Norton (Libro Diseño de máquinas)

Imagen: El tornillo aéreo (arriba), 1486, considerado el antecesor del helicóptero. (abajo) Experimento sobre la fuerza de sustentación de un ala. Leonardo Davinci

Fuente: Wikipedia

DISEÑO

formular un plan para satisfacer una demanda humana.

Capítulo 1: Introducción CÁLCULO DE MÁQUINAS

Estudio de los procesos de toma de decisiones, con los cuales los Ingenieros Mecánicos formulan planes, para la realización física de máquinas, dispositivos y sistemas.

Diseño en Ingeniería Mecánica. Formular un plan funcional para desarrollar o modificar una máquina o elemento mecánico con el fin de satisfacer una necesidad o demanda.

Requiere    

Conocimientos Científicos. Métodos Técnicos. Buen Criterio. Cierto Grado de Ingenio.

Fases del Diseño + Enfoques del desarrollo de un producto

• (a) Enfoque de ingeniería de producto (del libro Kalpakjian [1997]). • (b) Enfoque de ingeniería concurrente (adaptado del libro Pugh [1996]).

CONSIDERACIONES DE DISEÑO En cada caso, hay que determinar que factores o consideraciones de diseño, son relevantes y en con que grado. • • • • • •

Resistencia, rigidez, peso/volumen, espacio. Desgaste, lubricación, corrosión. Propiedades térmicas, acabados. Coste, mantenimiento, duración, fiabilidad. Seguridad, estética. Medio ambiente, reciclaje, procesos.

SEGURIDAD  Revisar ciclo de vida, localizando riesgos potenciales.  Elementos redundantes - Diseño integral(sin añadidos)  Especificaciones legales.

Factor Económico: Diseño para Fabricación

Efecto de las consideraciones de manufactura y ensamble en el diseño de una motosierra. (a) Diseño original con 41 partes y 6.37 minutos de tiempo de ensamblaje. (b) Diseño modificado, con 29 partes y 2.58 minutos de tiempo de ensamblaje. [From Boothroyd (1992)].

Aproximación al factor de seguridad, según Puglsey Table 1.1 Factor de seguridad caracteristicas A, B, y C a

Characteristic

B=

vg g f p vg 1.1 1.3 1.5 1.7  g A=vg 1.2 1.45 1.7 1.95 C    f 1.3 1.6 1.9 2.2  p 1.4 1.75 2.1 2.45 vg 1.3 1.55 1.8 2.05  g A=g 1.45 1.75 2.05 2.35 C    f 1.6 1.95 2.3 2.65  p 1.75 2.15 2.55 2.95 vg 1.5 1.8 2.1 2.4  g A=f 1.7 2.05 2.4 2.75 C    f 1.9 2.3 2.7 3.1  p 2.1 2.55 3.0 3.45 vg 1.7 2.15 2.4 2.75  g A=p 1.95 2.35 2.75 3.15 C    f 2.2 2.65 3.1 3.55  p 2.45 2.95 3.45 3.95 a vg=very good, g=good, f=fair and p=poor A=quality of materials, workmanship, maintenance and inspection B=control over load applied to part C=accuracy of stress analysis, experimental data, or experience with similar parts

Table 1.2: Factor de seguridad caracteristicas D and E Characteristica

D= ns s E=ns 1.0 1.2 E=s 1.0 1.3 E=vs 1.2 1.4 a vs=very serious, s=serious and ns=not serious D=danger to personnel E=economic impact

vs 1.4 1.5 1.6

Cálculo:

ns=ns,xns,y ns= Factor de seguridad ns,x se obtiene de la Tabla 1.1 ns,y de la Tabla 1.2

CODIGOS - NORMAS DE INDUSTRIA ANSI - American National Standards Institute. ASME - American Society of Mechanical Engineers. ASTM - American Society for Testing and Materials. AGMA - American Gear Manufacturers Association. AISI - American Institute of Steel Construction. ISO - International Standards Organization. NFPA - National Fire Protection Association. UNE - Una Norma Española

Conjunto Mecánico

SI, Unidades y Prefijos (a) S I units Quantity S I bas e units Length Mass Time Temperature S I s upplementary unit Plane angle S I derived units Energy Force Power Pressure Work (b) S I prefixes Multiplication factor 1 000 000 000 000 = 1012 1 000 000 000 = 109 1 000 000 = 106 1 000 = 103 100 = 102 10=101 0.1=10-1 0.01=10-2 0.001=10-3 0.000 001 = 10-6 0.000 000 001 = 10-9 0.000 000 000 001= 10-12

U nit

S I s ymbol

Formula

meter kilogram second kelvin

m kg s K

-

radian

rad

-

joule newton watt pascal joule

J N W Pa J

N-m kg-m/s2 J/s N/m2 N-m

Prefix tera giga mega kilo hecto deka deci centi milli micro nano pico

S I s ymbol for prefix T G M k h da d c m µ n p

Text Reference: Table 1.3, page 19

Table 1.3 SI unidades y prefijos

Tabla 1.4 Factores de conversión y definiciones. (a) Fundamental conversion factors English unit

Exact SI value

Length Mass Temperature

0.0254 m 0.453 592 37 kg 5/9 K

1 in 1 lbm 1 deg R

(b) Definitions Acceleration of gravity Energy

Length Power Pressure Temperature

Kinematic viscosity Volume

Approximate SI value 0.4536 kg -

1g=9.8066 m/s2 (32.174 ft/s2) Btu (British thermal unit)amount of energy required to raise 1 lbm of water 1 deg F (1 Btu = 778.2 ft-lbf) kilocalorie  amount of energy required to raise 1 kg of water 1 K (1 kcal=4187 J) 1 mile=5280 ft; 1 nautical mile = 6076.1 ft. 1 horsepower = 550 ft-lbf/s 1 bar  105 Pa degree Fahrenheit tF=9/5tC+32 (where tC is degrees) (Celsius) degree Rankine tR=tF+459.67 Kelvin tK=TC+275.15 (exact) 1 poise  0.1 kg/m-s 1 stoke  0.0001 m2/s 1 cubic foot = 7.48 gal

(c) Useful conversion factors 1 ft = 0.3048 m 1 lbf = 4.448 N 1 lbf = 386.1 lbm-in/s2 1 kgf = 9.807 N 1 lbf/in2 = 6895 Pa 1 ksi = 6.895 Mpa 1 Btu = 1055 J 1 ft-lbf = 1.356 J 1 hp = 746 W = 2545 Btu/hr 1 kW = 3413 Btu/hr 1 quart = 0.000946 m3 = 0.946 liter 1 kcal = 3.968 Btu

Factores de Conversión

nergy

Btu (British thermal unit)amount of energy required to raise 1 lbm of water 1 deg F (1 Btu = 778.2 ft-lbf) kilocalorie  amount of energy required to raise 1 kg of water 1 K (1 kcal=4187 J) 1 mile=5280 ft; 1 nautical mile = 6076.1 ft. 1 horsepower = 550 ft-lbf/s 1 bar  105 Pa degree Fahrenheit tF=9/5tC+32 (where tC is degrees) (Celsius) degree Rankine tR=tF+459.67 Kelvin tK=TC+275.15 (exact) 1 poise  0.1 kg/m-s torsor 1 stoke  0.0001 m2/s 1 cubic foot = 7.48 gal

Tabla 1.4 Factores de conversión. Ejemplo

ength ower essure emperature

Potencia (W )  F ( N )  v(m / s)  F ( N )  (rad / s)  R(m) M

nematic viscosity

olume

( Nm)   (rad / s)

) Useful conversion factors 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ft = 0.3048 m lbf = 4.448 N lbf = 386.1 lbm-in/s2 kgf = 9.807 N lbf/in2 = 6895 Pa ksi = 6.895 Mpa Btu = 1055 J ft-lbf = 1.356 J hp = 746 W = 2545 Btu/hr kW = 3413 Btu/hr quart = 0.000946 m3 = 0.946 liter kcal = 3.968 Btu

Potencia (W )  M torsor( Nm)   (rad / s)

746W CV M torsor( Nm)   7123,77 Nm 1 n(rev / min)  2 (rad / rev)  (min/ s) 60 Potencia (CV ) 

1Kgf 100cm CV 72639CV M torsor( Kgf  cm)  7123,77 N m   9,807 N m n n 1CV  735W  71621,8CV  2 M torsor( Kgf  cm)  g  9 , 8 m / s   n    3,1415  Error = 1,2%

Case Study

Hueso coxal (cadera) y fémur

Text Reference: Figure 1.4, page 21

Preguntas • Cuando se maquina un eje a determinada medida: – ¿Queda exactamente a la medida deseada? – ¿Qué sucede? – ¿De que depende?

• Si este eje va a trabajar dentro de un agujero: – ¿Cómo debe quedar acoplado? – ¿Si el trabajo es en serie que asegura un trabajo similar?

Dimensiones Principales Cota Nominal (N) Cota Real (R) Cota Máxima (CM) Cota Mínima (Cm) Desviación Superior (Ds): Ds= CM – N Desviación Inferior (Di): Di= Cm – N Desviación Real = R-N Tolerancia T = CM – Cm en µm Ejm: Si: N=50 mm; Ds= +0,05; Di= -0,02 Determinar las dimensiones principales

Consideraciones importantes: 1. Magnitud de la tolerancia. 2. Posición de la tolerancia.

1.- Magnitud de la Tolerancia a.- En función de la Cota Nominal La magnitud varía con la cota

Para una misma calidad de fabricación

nominal: ->N > Magnitud - Magnitud < exactitud (calidad) - < Magnitud > exactitud (calidad)

Por lo tanto: Existen Grados de Calidad ó Tolerancia

Grados de Calidad

Ultra precisión

Calibres – Piezas de gran precisión

Piezas o elementos destinados a ajustar

Piezas o elementos que no van a ajustar

2.- Posición de la Tolerancia Material

- Posición de CM y Cm respecto a la «línea cero» - Se le denomina con las letras del alfabeto • Piezas exteriores (agujeros) con Mayúsculas. • Piezas interiores (ejes) con minúsculas Observaciones: A-H a-h

Material

H h

Dentro del material Posición cero ambos dentro del material

Designación de una tolerancia Cota Nominal (N)

Grado de calidad IT8

40F8 Posición (agujero)

Cota Nominal (N) = 40 mm Posición F = + 25 µm (tablas) Magnitud (T) = 39 µm (tablas) CM = 40 + 0,025 + 0,039 = 40,064 mm Cm = 40 + 0,025 = 40,025 mm Ds = 64 µm Di = 25 µm R = entre 40,025 y 40,064 mm

Tolerancia vs Costo 1.

Para igual tolerancia: Agujero mas caro Eje menos caro.

– –

2.

Aumento fuertemente en los costos: En ejes: En agujeros:

– –

3.

tolerancias < 25 µm. tolerancias < 50 µm.

Preferencias: Ejes: IT7 o más. Agujeros: IT8 o más

– –

4.

Para obtener costos iguales en ejes y agujeros: Eje un grado de calidad menos que el agujero:

– •

Ejm: Eje calidad IT7 y agujero calidad IT8

Ejemplos • • • • • • • •

8H7 8f7 60F8 45r6 225r6 8C11 35K8 56M7

• • • • • • •

60H9 120E9 210S5 75R4 40h9 140js8 40J9

Ejercicios

Ajustes

Ajustes: Juego, Apriete e Indeterminado

Jmax= CM(a) - Cm(e) = (+) Jmin = Cm(a) - CM (e) = (+)

Amin= CM(a) - Cm(e) = (-) Amax= Cm(a) - CM (e) = (-)

Ajustes

Jmax = CM(a) - Cm(e) = (+) Amin = Cm(a) - CM (e) = (-) Tendencia al juego

Jmin = CM(a) - Cm(e) = (+) Amax = Cm(a) - CM (e) = (-) Tendencia al apriete

Sistema de Ajustes Agujero Único NH/a,b,c,d,…

Eje Único

NA,B,C,D,…/h

Ejercicios 1.

Se desea acoplar una polea en el eje de un ventilador el cual debe fabricarse con un diámetro nominal de 35 mm. Encontrar: – – –

2.

Un eje debe acoplarse a un agujero mediante un elemento intermedio (bocina). El eje gira a alta velocidad y debe tener un diámetro nominal de 20 mm, y la bocina debe permanecer estática en el agujero de 30 mm de diámetro nominal. Hallar: – – –

3.

Tipo de ajuste Cotas máximas, mínimas, posición y magnitud de la tolerancia. Juego o aprietes máximos y mínimos según el tipo de ajuste.

Tipo de ajuste (eje/bocina; bocina agujero) Dimensiones principales para ambos ajustes. Juego y/o aprietes máximos y mínimos.

Se ha recuperado el asiento del eje de una turbina que gira a alta velocidad y debe colocarse dentro de un cojinete de 38,5 mm de diámetro. Cuales son los límites máximos y mínimos dentro de los que hay que rectificar el asiento del eje.

Tema 2

TRANSMISIÓN DE POTENCIA Y RELACION DE TRANSMISIÓN

Diseño de Componentes de equipo pesado

Trabajo y Potencia d

Trabajo:

Para un tiempo «t»:

W F .d d   F. t t t

W  F .d

F

La potencia: l

Trabajo:

Ɵ

W  F .l

Para un tiempo «t»:

W F .l F .r.     F .r. t t t t

l

r

P  F .v

La potencia:

F

P  T .

Eficiencia Wentra

Wentra = Wsale

Si existen pérdidas (real):

Wentra > Wsale

Wsale

Wsale Wentra

Sistema Mecánico

Si no existen pérdidas (ideal):

Pérdida

Eficiencia:



Wsale Wentra

0