DISEÑO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS

Contenido
Plataforma de contenidos interactivos ...............................................................................................XI
Introducción ..................................................................................................................................... XII
Capítulo I. Introducción al diseño mecánico ..................................................................................1
1.1. Introducción ..........................................................................................................................2
1.2. ¿Qué es el diseño mecánico? ................................................................................................4
1.3. Proceso del diseño mecánico ...............................................................................................4
1.4. Enfoques del diseño ..............................................................................................................6
1.4.1. Enfoque del diseño tradicional ..................................................................................6
1.5. Organización del proceso de diseño ................................................................................... .7
1.6. Tipos de diseño mecánico ....................................................................................................8
1.7. Ciclo de desarrollo de un elemento mecánico (etapas de definición,
preliminar de diseño, desarrollo detallado y documentación) ............................................9
Capítulo II. Introducción a la cinemática de mecanismos ..........................................................21
2.1. Introducción ........................................................................................................................22
2.2. Cinemática y cinética ..........................................................................................................22
2.3. Mecanismos y máquinas ....................................................................................................23
2.4. Movimiento relativo ...........................................................................................................24
2.4.1. Movimiento relativo entre dos partículas en un mismo referencial .......................25
2.4.2. Movimiento relativo de una partícula en dos referenciales ....................................27
2.5. Diagramas cinemáticos ......................................................................................................28
2.6. Grados de libertad ..............................................................................................................29
2.7. Clasificación de mecanismos.............................................................................................. 37
Capítulo III. Análisis de desplazamientos y velocidades .............................................................47
3.1. Introducción ........................................................................................................................48
3.2. Determinación de las velocidades por el método de los planos ........................................ 49
3.2.1. Velocidades para el grupo II clase, tipo 1 ............................................................... 49
3.3. Métodos gráfico y analítico ................................................................................................ 53
3.3.1. Métodos algebraicos clásicos................................................................................... 53
3.4. Análisis de velocidades por el método gráfico y analítico ................................................54
3.4.1. Mecanismos de cuatro barras .................................................................................. 55
3.4.2. Mecanismo biela-manivela ...................................................................................... 57
3.5. Velocidad mediante ecuaciones de cierre y números complejos ....................................... 61
3.5.1. Centros instantáneos ................................................................................................ 63
3.6. Ventaja mecánica ................................................................................................................68
Capítulo IV. Análisis de aceleraciones ...........................................................................................71
4.1. Introducción........................................................................................................................72
4.2. Aceleración relativa ............................................................................................................ 74
4.3. Aceleración de Coriolis ...................................................................................................... 75
Capítulo V. Análisis de fuerzas .......................................................................................................79
5.1. Definiciones básicas para estudiar las fuerzas estáticas y dinámicas ...............................80
5.2. Fuerzas estáticas y dinámicas ............................................................................................. 81
5.3. Método de superposición VIII Contenido
5.3.1. Principio de superposición. Fuerzas estáticas ....................................................... 101
5.3.2. Principio de superposición. Fuerzas dinámicas .................................................... 101
5.4. Método matricial ............................................................................................................... 102
5.4.1. Características de los métodos matriciales ............................................................ 102
5.4.2. Modelización del problema .................................................................................... 103
5.4.3. Métodos de cálculo matricial ................................................................................. 104
Capítulo VI. Introducción a la síntesis de mecanismos ............................................................. 111
6.1. Introducción ...................................................................................................................... 112
6.2. Tipos de síntesis ................................................................................................................ 112
6.3. Síntesis gráfica, generación de movimiento
(dos y tres posiciones prescritas) ......................................................................................114
6.3.1. Dos posiciones prescritas ........................................................................................114
6.3.2. Tres posiciones prescritas .......................................................................................116
6.4. Síntesis gráfica, generación de trayectorias ......................................................................117
6.4.1. Generación de función ........................................................................................... 119
6.4.2. Síntesis analítica ..................................................................................................... 125
Capítulo VII. Cargas en los elementos mecánicos (impacto, vibración, dinámicas) ..............129
7.1. Introducción ...................................................................................................................... 130
7.2. Cargas en los elementos mecánicos .................................................................................. 130
7.2.1. Cargas por impacto ................................................................................................ 130
7.2.2. Cargas por vibración .............................................................................................. 132
7.2.3. Fuerzas dinámicas .................................................................................................. 135
7.3. Tipos de esfuerzos en los elementos mecánicos .............................................................. 135
7.3.1. Concentración de esfuerzos ................................................................................... 137
7.4. Teorías de falla por fatiga ................................................................................................. 139
7.4.1. Etapas del proceso de fallas por fatiga................................................................... 141
7.4.2. Variación de los esfuerzos ..................................................................................... 141
7.4.3. Mecanismos de falla por fatiga .............................................................................. 143
7.5. Ajustes y tolerancias ......................................................................................................... 145
7.5.1. Tolerancia de fabricación ....................................................................................... 145
7.5.2. Valores de tolerancia .............................................................................................. 145
7.5.3. Campos de tolerancias ........................................................................................... 146
7.5.4. Ajuste ...................................................................................................................... 147
7.5.5. Tipos de ajuste ........................................................................................................ 147
7.5.6. Simbología .............................................................................................................. 148
7.5.7. Tipos de tolerancias ................................................................................................ 149
Capítulo VIII. Introducción a las uniones ..................................................................................155
8.1. Introducción ...................................................................................................................... 156
8.2. Uniones remachadas ......................................................................................................... 157
8.3. Uniones atornilladas ......................................................................................................... 162
8.3.1. Generalidades ........................................................................................................ 162
8.3.2. Clases de tornillos ................................................................................................. 162
8.3.3. Coeficientes parciales de seguridad ...................................................................... 162
8.3.4. Agujeros para tornillos .......................................................................................... 163
8.3.5. Disposiciones en el montaje .................................................................................. 164
8.3.6. Separación entre agujeros......8.3.7. Categorías de uniones atornilladas ....................................................................... 166
8.3.8. Cálculo de la resistencia de un tornillo ................................................................. 169
8.3.9. Torque o par de apriete de tornillos....................................................................... 173
8.3.10. Tipos de las uniones atornilladas .......................................................................... 178
8.4. Uniones soldadas .............................................................................................................. 180
8.4.1. Generalidades ........................................................................................................ 180
8.4.2. Diferentes tipos de uniones por soldadura ............................................................ 180
8.5. Uniones pegadas ............................................................................................................... 185
8.5.1. Introducción ........................................................................................................... 185
8.5.2. Ventajas de la unión con adhesivos ....................................................................... 185
8.5.3. Limitaciones ........................................................................................................... 186
Capítulo IX. Acoplamientos .........................................................................................................187
9.1. Introducción ...................................................................................................................... 188
9.2. Acoplamiento mecánico ................................................................................................... 188
9.2.1. Funciones ............................................................................................................... 189
9.3. Tipos y clasificación de acoplamientos ............................................................................ 189
9.3.1. Acoplamientos rígidos ........................................................................................... 190
9.3.2. Acoplamientos flexibles ......................................................................................... 190
9.3.3. Acoplamientos de elementos deslizantes .............................................................. 190
9.3.4. Acoplamientos de elementos flexionantes ............................................................. 192
9.3.5. Acoplamientos articulados .................................................................................... 194
9.4. Embragues y frenos .......................................................................................................... 196
9.4.1. Embrague ................................................................................................................ 196
9.4.2. Freno ........................................................................................................................ 196
9.5. Tipos y clasificación de embragues ..................................................................................200
9.5.1. Embrague de fricción de disco simple .................................................................... 201
9.5.2. Embragues de fricción de disco doble .................................................................... 201
9.5.3. Embrague hidráulico ...............................................................................................202
Capítulo X. Cojinetes y lubricación ............................................................................................203
10.1. Introducción ....................................................................................................................204
10.2. Cojinetes..........................................................................................................................204
10.2.1. Lubricación de cojinetes .....................................................................................205
10.2.2. Tipos de lubricantes ............................................................................................205
10.2.3. Viscosidad ..........................................................................................................205
10.2.4. Lubricación inicial de cojinetes .........................................................................206
10.2.5. Determinación del coeficiente de rozamiento
en cojinetes de deslizamiento lubricados ..........................................................206
10.2.6. Materiales para cojinetes ....................................................................................209
10.2.7. Espesor mínimo de la película de aceite ............................................................209
10.2.8. Presión crítica del funcionamiento .................................................................... 210
10.2.9. Capacidad de carga y vida de un rodamiento .................................................... 210
10.3. Lubricación de los elementos de máquinas .................................................................... 211
10.3.1. Fricción ............................................................................................................... 211
10.3.2. Desgaste .............................................................................................................. 212
10.3.3. Tipos de desgaste ................................................................................................ 212
10.3.4. Lubricación ......................................................................................................... 212
10.3.5. Tipos de lubricantes............................................................................................ 214
Diseño de Elementos de Máquinas Joaquín Cedillo Cárdenas10.3.6. Propiedades y pruebas fisicoquímicas de los lubricantes.................................. 214
10.3.7. Aspectos a considerar en la selección de un lubricante ..................................... 215
10.3.8. Factores nocivos para el desempeño de los lubricantes .................................... 216
10.4. Cojinetes de contacto deslizante ..................................................................................... 216
10.5. Cojinetes de contacto rodante ......................................................................................... 217
10.5.1. Características de los rodamientos .................................................................... 218
10.5.2. Tipos de rodamientos ......................................................................................... 219
10.5.3. Fallas de los rodamientos ...................................................................................224
10.5.4. Materiales de rodamiento ...................................................................................224
10.6. Selección de rodamientos................................................................................................225
10.6.1. Procedimiento de la selección ............................................................................225
Capítulo XI. Árboles y ejes ..........................................................................................................231
11.1. Introducción .....................................................................................................................232
11.2. Conceptos y aplicaciones ................................................................................................233
11.2.1. Ejes......................................................................................................................233
11.2.2. Árboles ................................................................................................................236
11.2.3. Diámetros normalizados .....................................................................................238
11.2.4. Materiales para ejes y árboles .............................................................................238
11.3. Árboles y ejes flexibles ....................................................................................................240
11.3.1. Componentes de un eje flexible ..........................................................................240
11.4. Resortes ............................................................................................................................242
11.4.1. Introducción ........................................................................................................242
11.4.2. Tipos y aplicación ...............................................................................................243
11.4.3. Diseño de un resorte (helicoidales de compresión y de tensión) ........................243
Capítulo XII. Clasificación y tipos de transmisión ....................................................................255
12.1. Introducción .....................................................................................................................256
12.2. Transmisiones de tipo flexibles .......................................................................................256
12.3. Poleas y bandas ................................................................................................................257
12.3.1. Poleas ..................................................................................................................257
12.4. Cadenas ............................................................................................................................258
12.5. Cables ..............................................................................................................................258
12.6. Transmisiones de tipo rígida ............................................................................................259
12.6.1. Engranes ..............................................................................................................259
12.6.2. Teoría de los dientes de engrane .........................................................................259
12.7. Engranajes de dientes rectos y helicoidales .....................................................................265
12.7.1. Engranaje recto ...................................................................................................265
12.7.2. Carga sobre engranes rectos ................................................................................266
12.8. Engranajes cónicos de dientes rectos y helicoidales .......................................................270
12.9. Tornillo sin fin y de potencia ...........................................................................................270
12.10. Trenes de engranes...........................................................................................................272
12.10.1. Clasificación y tipos ...........................................................................................273
Índice analítico ................................................................................................................................275
Anexo ...............................................................................................................................................277
Alfaomega Diseño de Elementos de Máquinas Joaquín Cedillo Cárdenas
Factores de conversión ......................................................................................................

En el presente libro se abordan los temas tradicionales de elementos de máquinas, exponiendo la interrelación en la práctica (principalmente con el apoyo de los softwares más recientes en el diseño y manufactura de los elementos mecánicos) entre fuerzas y esfuerzos, así como el análisis de fallas; se analizan aspectos de la ingeniería mecánica y de ramas afines como la ingeniería aeronáutica, la ingeniería en sistemas automotrices y la mecatrónica, por citar algunas especialidades.

La primera parte de la obra expone lo fundamental del diseño mecánico: materiales, teorías de fallas, esfuerzos y deformaciones, y una introducción a la mecánica de la fractura; mientras que la segunda parte muestra la carga de fatiga de varios ciclos que experimentan partes o ensambles de máquinas y el diseño de elementos específicos como engranes, árboles de transmisión y resortes