INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ

MATERIA: DISEÑO MECÁNICO 1.

DOCENTE: ING. JOSÉ RAFAEL DORREGO PORTELA

ALUMNO: RUIZ SÁNCHEZ NEFTALÍ

UNIDAD 1.

6TO. B-1

INGENIERÍA MECÁNICA.

SALINA CRUZ, OAXACA.

1. INTRODUCCIÓN.

En el siguiente escrito podremos encontrar los fundamentos básicos para la realización del diseño, en este caso nos enfocamos un poco más al diseño mecánico.

Para que un diseño se realice es necesario que exista una necesidad que cumplir, ya que este es el objetivo de todo diseño.

Al conocer la necesidad es necesario conocer qué factores afectan a la pieza ó máquina a diseñar, por lo tanto es indispensable realizar la investigación de estos factores que pueden ser un grave problema si no se toman en cuenta.

Existen muchos software que ayudan y facilitan al diseñador su labor, estos programas tienen la capacidad de simular y analizar una determinada pieza porque se le puede incluir factores reales, todo esto con el fin de proporcionar un producto de calidad.

METODOLOGÍA DEL DISEÑO

1.1 CONCEPTO DE DISEÑO

Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad específica o resolver un problema.Si el plan resulta en la creación de algo físicamente real, entonces el producto debe ser funcional, seguro, confiable, competitivo, útil, que pueda fabricarse y comercializarse.El diseño es un proceso innovador y altamente iterativo. También es un proceso de toma de decisiones. Algunas veces éstas deben tomarse con muy poca información, en otras con apenas la cantidad adecuada y en ocasiones con un exceso de información parcialmente contradictoria.Algunas veces las decisiones se toman de manera tentativa, por lo cual es conveniente reservarse el derecho de hacer ajustes a medida que se obtengan más datos. Lo importante es que el diseñador en ingeniería debe sentirse personalmente cómodo cuando ejerce la función de toma de decisiones y de resolución de problemas.

EL DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA.

Los ingenieros mecánicos están relacionados con la producción y el procesamiento de energía y con el suministro de los medios de producción, las herramientas de transporte y las técnicas de automatización. Las bases de su capacidad y conocimiento son extensas. Entre las bases disciplinarias se encuentran la mecánica de sólidos, de fluidos, la transferencia de masa y momento, los procesos de manufactura y la teoría eléctrica y de la información. El diseño en la ingeniería mecánica involucra todas las áreas que componen esta disciplina.

1.2 FILOSOFÍA DEL DISEÑO.

Cuando trabaje en un problema de diseño, es importante que desarrolle un enfoque sistémico.Los siguientes pasos deben recibir una atención especial, lo cual le ayudará a organizar su técnica de procesamiento de la solución:

• Entienda el problema. La definición del problema es el paso más significativo en el proceso de diseño en ingeniería. Lea, comprenda y afine cuidadosamente el enunciado del problema.

• Identifique la información conocida. A partir del enunciado perfeccionado del problema, describa en forma concisa qué información es conocida y relevante.

• Identifique la información desconocida y formule la estrategia de solución. Establezca aquello que debe determinar, y en qué orden, con el propósito de llegar a una solución del problema. Bosqueje el componente o sistema bajo investigación, es decir, identifique los parámetros conocidos y desconocidos.

Construya un diagrama de flujo de los pasos necesarios para llegar a la solución final.

Los pasos pueden requerir el uso de diagramas de cuerpo libre; propiedades de materiales de las tablas; ecuaciones de los principios básicos, libros de texto o manuales que relacionan los parámetros conocidos y desconocidos; gráficastrazadas en forma experimental o numérica; herramientas computacionales; etcétera.

• Establezca todos los supuestos y todas las decisiones. Por lo general, los problemas de diseño reales no tienen soluciones únicas, ideales y cerradas. Las selecciones, como la elección de materiales y los tratamientos térmicos, exigen tomar decisiones. Los análisis requieren supuestos relacionados con el modelado de los componentes o sistemas reales.Todos los supuestos y todas las decisiones deben identificarse y registrarse.

• Analice el problema. Usando su estrategia de solución junto con sus decisiones y supuestos, ejecute el análisis del problema. Haga referencia a las fuentes de todas las ecuaciones, tablas, gráficas, resultados del software, etc. Verifique la credibilidad de sus resultados. Compruebe el orden de magnitud, la dimensionalidad, las tendencias, señales, etcétera.

• Evalúe su solución. Evalúe cada paso de la solución, es decir, observe la forma en que los cambios de estrategia, decisiones, supuestos y ejecución podrían modificar los resultados, de manera positiva o negativa. Si es posible, incorpore los cambios positivos en su solución final.

• Presente su solución. Aquí es donde sus habilidades de comunicación son importantes. En este punto, usted se está vendiendo a sí mismo y sus capacidades técnicas. Si no puede explicar hábilmente lo que ha hecho, una parte o todo su trabajo suele no entenderse e incluso no aceptarse. Conozca a su audiencia.

NORMAS Y CÓDIGOS.

Una norma es un conjunto de especificaciones para partes, materiales o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad, eficiencia y cantidad especificadas. Uno de los propósitos importantes de una norma es poner un límite al número de artículos en las especificaciones para proporcionar un inventario razonable de herramientas, tamaños, formas y variedades.

Un código es un conjunto de especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y construir algo. El propósito de un código consiste en lograr un grado específico de seguridad, eficiencia y desempeño o calidad.

Todas las organizaciones y sociedades que se presentan enseguida han establecido especificaciones para normas y códigos de diseño o seguridad. El nombre de la organización proporciona una guía de la naturaleza de la norma o código. Algunas de las normas y códigos, así como las direcciones, se pueden obtener en la mayor parte de las bibliotecas técnicas.

Las organizaciones de interés para los ingenieros mecánicos son:

Aluminum Association (AA)American Gear Manufacturers Association (AGMA)American Institute of Steel Construction (AISC)American Iron and Steel Institute (AISI)American National Standards Institute (ANSI)ASM InternationalAmerican Society of Mechanical Engineers (ASME)American Society of Testing and Materials (ASTM)American Welding Society (AWS)American Bearing Manufacturers Association (ABMA)British Standards Institution (BSI)Industrial Fasteners Institute (IFI)Institution of Mechanical Engineers (I. Mech. E.)International Bureau of Weights and Measures (BIPM)International Standards Organization (ISO)National Institute for Standards and Technology (NIST)Society of Automotive Engineers (SAE)

1.3 PROCESO DEL DISEÑO.

El proceso de diseño comienza con la identificación de una necesidad.

Con frecuencia, el reconocimiento y la expresión de ésta constituyen un acto muy creativo, porque la necesidad quizá sólo sea una vaga inconformidad, un sentimiento de inquietud o la detección de que algo no está bien.

A menudo la necesidad no es del todo evidente; el reconocimiento se acciona por una circunstancia adversa particular o por un conjunto de circunstancias aleatorias que se originan casi de manera simultánea. Por ejemplo, la necesidad de hacer algo acerca de una máquina de empaque de alimentos se manifiesta por el nivel de ruido, la variación en el peso del paquete y por alteraciones ligeras pero perceptibles en la calidad del paquete o envoltura.

Hay una diferencia notable entre el enunciado de la necesidad y la identificación del problema.

La definición del problema es más específica y debe incluir todas las especificaciones del objeto que va a diseñarse. Las especificaciones son las cantidades de entrada y salida, las características y dimensiones del espacio que el objeto debe ocupar y todas las limitaciones sobre estas cantidades. Puede considerarse al objeto que va a diseñarse como algo dentro de una caja negra. En este caso deben especificarse las entradas y salidas de la caja, junto con sus características y limitaciones. Las especificaciones definen el costo, la cantidad que se va a manufacturar, la vida esperada, el intervalo, la temperatura de operación y la confiabilidad.

Fig. 1. Fases del diseño

Algunas veces, a la síntesis de un esquema que conecta elementos posibles del sistema se le llama invención del concepto o diseño del concepto.

Éste es el primer y más importante paso en la tarea de la síntesis. Varios esquemas deben proponerse, investigarse y cuantificarse en términos de medidas establecidas. A medida que el desarrollo del esquema progresa, se deben realizar análisis para evaluar si el desempeño del sistema es cuando menos satisfactorio, y si lo es, qué tan bien se desempeñará.

Los esquemas del sistema que no sobreviven al análisis se revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con potencial se optimizan para determinar el mejor desempeño del esquema.

En la figura 1 se muestra que la síntesis, el análisis y la optimización están relacionados en forma íntima e iterativa.

El diseño es un proceso iterativo en el cual se procede a través de varios pasos, se evalúan los resultados y luego se regresa a una fase inicial del procedimiento. De esta manera es posible sintetizar varios componentes de un sistema, analizar y optimizarlos y regresar a la síntesis para ver qué efectos tiene sobre las partes restantes del sistema.

Tanto el análisis como la optimización requieren que se construyan o inventen modelos abstractos del sistema que admitirá alguna forma de análisis matemático. A estos modelos se les llama modelos matemáticos. Cuando se

les crea se espera que sea posible encontrar uno que simule muy bien al sistema físico real.

La evaluación es una fase significativa del proceso de diseño total. La evaluación representa la prueba final de un diseño exitoso y por lo general implica la prueba del prototipo en el laboratorio.

La comunicación de los resultados a otros es el paso final y vital de presentación del proceso de diseño. La presentación es un trabajo de venta. El ingeniero, cuando presenta una nueva solución al personal administrativo, gerencial o de supervisión, está tratando de vender o de probarles que la solución que él propone es la mejor.

1.4 FACTORES DE DISEÑO.

Algunas veces la resistencia que requiere un elemento de un sistema significa un factor importante para determinar su geometría y dimensiones.A menudo se deben considerar muchas de esas características en una situación de diseño dada. Entre las más importantes se pueden mencionar

Funcionalidad Resistencia/esfuerzo

Distorsión/deflexión/rigidez Desgaste Seguridad Confiabilidad

Manufacturabilidad Utilidad Costo Fricción Peso Vida

Ruido Estilo Forma Tamaño Corrosión Control Propiedades térmicas

Superficie Lubricación Comercialización Mantenimiento Volumen Responsabilidad legal Capacidad de reciclado/

recuperación de recursos

HERRAMIENTAS Y RECURSOS DE DISEÑO.

En la actualidad, el ingeniero tiene una gran variedad de herramientas y recursos disponibles que le ayudan a solucionar problemas de diseño.

HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES.

El software para el diseño asistido por computadora (CAD) permite el desarrollo de diseños tridimensionales (3-D) a partir de los cuales pueden producirse vistas ortográficas convencionales en dos dimensiones con dimensionamiento automático. Las trayectorias de las herramientas pueden generarse a partir de los modelos 3-D y, en algunos casos, las partes pueden crearse directamente

desde una base de datos 3-D mediante el uso de un método para la creación rápida de prototipos y manufactura.

Otra ventaja de este tipo de base de datos es que permite cálculos rápidos y exactos de ciertas propiedades como la masa, la localización del centro de gravedad y los momentos de inercia de masa. Del mismo modo, pueden obtenerse con facilidad otras propiedades como áreas y distancias entre puntos.

ADQUISICIÓN DE INFORMACIÓN TÉCNICA

Bibliotecas (públicas, universitarias y privadas). Diccionarios y enciclopedias de ingeniería, libros de texto, monografías, manuales, servicios de índices y extractos, revistas, traducciones, informes técnicos, patentes y fuentes/folletos/catálogos de negocios.

Fuentes gubernamentales. Departamentos de defensa, comercio, energía y transporte; NASA; Oficina editorial del gobierno; Oficina de patentes y marcas registradas; Servicio de información técnica nacional; Instituto nacional para normas y tecnología.

Sociedades profesionales. Sociedad norteamericana de ingenieros mecánicos, Sociedad de ingenieros en manufactura, Sociedad de ingenieros automotrices, Sociedad norteamericana de pruebas y materiales, y la Sociedad norteamericana de soldadura.

Vendedores comerciales. Catálogos, literatura técnica, datos de prueba, muestras e información de costos.

Internet. La puerta de entrada a la red de computadoras con sitios asociados con la mayoría de las categorías mencionadas anteriormente.

NORMAS Y CÓDIGOS.

Una norma es un conjunto de especificaciones para partes, materiales o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad, eficiencia y cantidad especificadas. Uno de los propósitos importantes de una norma es poner un límite al número de artículos en las especificaciones para proporcionar un inventario razonable de herramientas, tamaños, formas y variedades.

Un código es un conjunto de especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y construir algo. El propósito de un código consiste en lograr un grado específico de seguridad, eficiencia y desempeño o calidad.

Todas las organizaciones y sociedades que se presentan enseguida han establecido especificaciones para normas y códigos de diseño o seguridad. El nombre de la organización proporciona una guía de la naturaleza de la norma o código. Algunas de las normas y códigos, así como las direcciones, se pueden obtener en la mayor parte de las bibliotecas técnicas.

Las organizaciones de interés para los ingenieros mecánicos son:

Aluminum Association (AA)American Gear Manufacturers Association (AGMA)American Institute of Steel Construction (AISC)American Iron and Steel Institute (AISI)American National Standards Institute (ANSI)ASM InternationalAmerican Society of Mechanical Engineers (ASME)American Society of Testing and Materials (ASTM)American Welding Society (AWS)American Bearing Manufacturers Association (ABMA)British Standards Institution (BSI)Industrial Fasteners Institute (IFI)Institution of Mechanical Engineers (I. Mech. E.)International Bureau of Weights and Measures (BIPM)International Standards Organization (ISO)National Institute for Standards and Technology (NIST)Society of Automotive Engineers (SAE)

ECONOMÍA

La consideración del costo tiene una función tan importante en el proceso de la decisión de diseño que fácilmente podría emplearse el mismo tiempo para estudiar el factor del costo que para realizar el estudio de todo el tema de diseño. Aquí sólo se introducen algunos de los conceptos generales y reglas simples.

TAMAÑOS ESTÁNDAR.

La utilización de tamaños estándar o corrientes es el principio fundamental de la reducción del costo.Un ingeniero que especifica una barra AISI 1020 de acero laminado en caliente de sección cuadrada de 53 mm de lado, denominada cuadrado laminado en caliente, suma un costo agregado al producto, ya que una barra estándar cuadrada de 50 o 60 mm, que tiene un tamaño preferible, funcionaría igualmente bien. La medida de 53 mm se puede obtener por medio de pedido especial, o mediante el laminado o maquinado de una barra cuadrada de 60 mm, pero estos enfoques agregan costo al producto. Para asegurar que se especifiquen tamaños estándar o recomendables, el diseñador debe tener acceso a las listas de existencia de los materiales que se emplean.

TOLERANCIAS AMPLIAS.

Entre los efectos de las especificaciones de diseño sobre los costos, tal vez los de las tolerancias sean los más significativos. Las tolerancias de diseño influyen de muchas maneras en la factibilidad de fabricación del producto final; las tolerancias estrictas quizá necesiten pasos adicionales en el procesamiento

o incluso provocan que la producción de una parte sea económicamente impráctica. Las tolerancias cubren la variación dimensional y el intervalo de rugosidad superficial, así como la variación de propiedades mecánicas que generan el tratamiento térmico y otras operaciones de procesamiento.

ESTIMACIONES DE LOS COSTOS.

Hay muchas formas de obtener las cifras relativas de los costos, de manera que dos o más diseños se comparan aproximadamente. En algunos casos se requiere cierto criterio. Por ejemplo, se puede comparar el valor relativo de dos automóviles mediante su costo monetario por unidad de peso. Otra manera de comparar el costo de un diseño con otro es simplemente mediante el conteo del número de partes. El diseño que tenga el número menor de partes tal vez cueste menos. Se utilizan muchos estimadores de costos, según sea la aplicación, como área, volumen, potencia, par de torsión, capacidad, velocidad y diversas relaciones de desempeño.

FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD.

Un enfoque general del problema de la carga permisible contra la carga de pérdida de función es el método del factor de diseño determinístico, al que algunas veces se le llama método clásico de diseño. La ecuación fundamental es la ecuación (1-1), donde nd se conoce como factor de diseño. Deben analizarse todos los modos de pérdida de función, y el modo que conduzca al factor de diseño más pequeño será el modo gobernante. Después de terminar el diseño, el factor de diseño real puede cambiar como resultado de cambios como el redondeo a un tamaño estándar de una sección transversal o el uso de componentes recién lanzados con clasificaciones más altas en lugar de emplear lo que se había calculado usando el factor de diseño. En este caso, el factor se conoce como factor de seguridad, n, que tiene la misma definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor numérico.

Como el esfuerzo no puede variar en forma lineal con la carga, el uso de la carga como el parámetro de pérdida de función puede no ser aceptable. Entonces es más común expresar el factor de diseño en términos del esfuerzo y una resistencia relevante.Así, la ecuación (1-1) puede reescribirse como:

DIMENSIONES Y TOLERANCIAS.

Por lo general para dimensionar se emplean los siguientes términos:

• Tamaño nominal. Tamaño para designar un elemento. Por ejemplo, se especifica un tubo de ½ pulg o un perno de ½ pulg. El tamaño teórico o el tamaño real medido puede ser muy diferente. El tamaño teórico de un tubo de ½ pulg tal vez sea 1.900 pulg en su diámetro exterior. Y el diámetro del perno de ½ pulg, en realidad puede medir 0.492 pulg.

• Límites. Dimensiones máximas y mínimas establecidas.

• Tolerancia. Diferencia entre los dos límites.

• Tolerancia bilateral. Variación en ambas direcciones a partir de la dimensión básica. Es decir, el tamaño básico se encuentra entre los dos límites; por ejemplo, 1.005 ± 0.002 pulg. No es necesario que las dos partes de la tolerancia sean iguales.

• Tolerancia unilateral. Dimensión básica que se toma como uno de los límites, de la cual se permite una variación sólo en una dirección.

Holgura. Término general que se refiere al acoplamiento de partes cilíndricas como un perno y un agujero. La palabra “holgura” sólo se emplea cuando el diámetro del elemento interno es menor que el del elemento externo. La holgura diametral es la diferencia medida en los dos diámetros. La holgura radial es la diferencia entre los dos radios.

• Interferencia. Es lo opuesto de la holgura, para el acoplamiento de partes cilíndricas, donde el elemento interno es mayor que el elemento externo.

• Margen. Es la holgura mínima o la interferencia máxima establecida para partes ensambladas.

1.5 FUNDAMENTOS DE ERGONOMÍA.

La ergonomía estudia los factores que intervienen en la interrelación hombre-artefacto (operario- maquina), afectados por el entorno. El conjunto se complementa recíprocamente para conseguir el mejor rendimiento; el hombre piensa y acciona, mientras que el objeto se acopla a las cualidades del hombre, tanto en el manejo como en aspecto y comunicación.

El objetivo de la ergonomía es dar las pautas que servirán al diseñador para optimizar el trabajo a ejecutar por el conjunto conformado por el operario-artefacto. Se entiende como operario el usuario o persona que manipula el artefacto, y como entorno el medio ambiente físico y social que circunda al conjunto (Figura 2).

Fig. 2 Interrelación hombre-artefacto

Tanto la máquina o artefacto tenga elementos de operación acordes con las cualidades del usuario, así mismo el operario tendrá facilidad de manejo y su rendimiento se optimizará.

El entorno afecta tanto al operario como al artefacto, dependiendo de sus sensibilidades y de la magnitud de la motivación, que puede ser física y psicosocial.

Todo proyecto de diseño está obligado a usar como herramienta básica para su estudio la ergonomía, que sirve para determinar los factores de influencia y marco de limitantes, cuyos resultados cualitativos y cuantitativos se convierten en los requerimientos y parámetros para el planteamiento de una hipótesis acertada.

El artefacto es todo objeto utilitario para servicio y comodidad del hombre. Todo artefacto es conformado por el hombre para realizar una actividad en la solución de una necesidad; este objetivo lo convierte en artefacto utilitario. La singularidad de su forma y lenguaje se deben a dos importantes factores:

a) El hombre y sus cualidades en los órdenes fisiológicos y sociales.b) La configuración funcional, respuesta a las condiciones que motivaron

su invención como componente de un sistema productivo.

1.6 EJEMPLO DE UN DISEÑO.

En ciudades donde la temperatura son muy bajas, se genera el hielo ó nieve, en estos lugares existe un incremento muy alto de accidentes automovilísticos, ya que los autos a altas velocidades no logran frenar eficientemente, generando desastres.

Una forma de evitar estos accidentes es colocar cadenas en las llantas para lograr un mejor agarre, pero esto es de forma muy convencional.

Este problema suele ser grave en esos lugares, para ello es necesario realizar un diseño enfocado a las llantas.

El primer paso era diseñar una llanta perfecta para lograr un agarre óptimo sobre el hielo, entonces se diseñó una llanta que tiene como una serie de clavos sobre todo su contorno, estos clavos especiales se mueven a presión y todo es controlado por la computadora principal.

Este tipo de llanta en el asfalto es común como las demás pero al entrar a lugares donde la nieve tiene un nivel más alto que el asfalto entran en funcionamiento estos clavos.

Así obtenemos un buen agarre sobre este tipo de superficie, este diseño ya ha sido probado en condiciones reales y ha pasado la prueba, un inconveniente sería en que saldrían caros ya que estas llantas son especiales y su tiempo de vida útil no es muy largo así que se estaría cambiando frecuentemente.

Pero este diseño cumplió su objetivo de realizar una solución a una problemática que tenían estas personas que viven a esas condiciones climatológicas.

Ahora los accidentes automovilísticos se han reducido, ya que muchos autos ya no patinan sobre el hielo.

CONCLUSIÓN.

Conocer los fundamentos para realizar un diseño es indispensable, por que en la vida cotidiana nos enfrentamos a problemas todos los días, aunque algunos problemas no aparentan ser un problema.

Para ello es necesario conocer cómo realizar un diseño si se nos llegara a pedir, todo diseño tiene el objetivo de solucionar problemas ó necesidades pero a cada necesidad tiene su tipo de solución.

Existen factores que en los diseños no se repiten y para ello se deben conocer cada uno.

El realizar un diseño no es solo por cumplir un trabajo, si no que va más allá de eso, es entregar un producto ó maquina con una excelente calidad, para que así como el diseñador y los clientes estén satisfechos.

Aunque hay algunos que son buenos diseños pero no cumplen bien su trabajo y para eso es necesario rediseñarlo.

Existen un sin fin de ejemplos de diseño pero para realizarlos el diseñador se tomó un buen tiempo para realizarlos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

- Budynas, Richard G., Nisbett, J. Keith, Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, Octava edición, McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, México (2008).

- Cruz Gómez, J. Alberto, Principios de ergonomía, Fundación Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano, Colombia (2001)