mecánica 07

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Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica: Uniones con adhesivos. Uniones con cilindros y rodillos. Elementos de mecnica de precisin

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<p>MECANICAObjetivos: Capacitar al estudiante sobre los diferentes tipos de materiales, las tcnicas y normas para su procedimiento para la construccin de dispositivos, equipos o elementos de mquinas. Comprender las propiedades mecnicas requeridas por los principales elementos mecnicos utilizados en la ingeniera biomdica.</p> <p>CONTENIDODesarrollo de las Unidades Programticas: 3. Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica(3): Uniones con Adhesivos. Uniones con Flechas (cilindros) y Ejes.</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:La creciente complejidad de las estructuras ensambladas modernas y los diversos tipos de materiales (metlicas y no metlicas) empleados han facilitado muchas aplicaciones de adhesivos para acoples (adherencia) superficiales que no seran posibles con las tcnicas convencionales de unin (soldadura, remachado, etc.). Los adhesivos tambin se utilizan en conjunto con sujetadores mecnicos y soldaduras, o para reemplazarlos. Las ventajas ofrecidas por la unin con adhesivos al diseador son: peso reducido, capacidades de sellado, nmero mnimo de partes, tiempo de ensamble, as como la resistencia a la fatiga y a la corrosin mejoradas. El uso de adhesivos puede propiciar reducciones significativas de sujetadores y tambin permite el uso de materiales de menor calibre, por eliminar las concentraciones de esfuerzos asociadas con perforaciones.</p> <p>Aplicaciones de uniones adhesivas</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:Los adhesivos se emplean para ensamblar materiales sensibles al calor o componentes que se podran daar al perforar agujeros para sujetadores mecnicos, tambin se utilizan para unir materiales desiguales o de calibre pequeo que no se unen mediante otros medios. Para la reduccin de ruidos, vibraciones y asperezas se utilizan adhesivos polimricos con capacidad para disipar energas. Los factores importantes para el diseo adecuado de uniones con adhesivos son: La preparacin de la superficie. El procesamiento del polmero. La mecnica.</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos: Mecanismo de adhesin: Los adhesivos son sustancias empleadas para unir dos o ms componentes mediante fuerzas de atraccin que actan a lo largo de las interfaces (adhesin y cohesin). A las partes que se unirn se les llama adherentes o sustratos. La adhesin se presenta cuando el adhesivo fluye como lquido y humedece las superficies de inters, proporcionando contacto ntimo entre el adhesivo y el sustrato. Los adhesivos se solidifican de la siguiente manera: ! Por curado o encadenamiento transversal, en el caso de los termofijos por enfriamiento y posible cristalizacin (en el caso de fusiones calientes); ! Por secado en el caso de soluciones con base de solvente; ! Por secado y combinacin en el caso de adhesivos de ltex con base de agua.</p> <p>Mecanismo de adhesin</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:La habilidad para humedecer de manera apropiada una superficie dada depende de dos aspectos: ! Un coeficiente de difusin positivo (cantidad termodinmica relacionada con las energas superficiales de los materiales puestos en contacto); ! El tiempo suficiente para humedecer el sustrato. Si se incrementa la presin, la temperatura o el tiempo de adhesin, se acelera el ltimo proceso cintico. Sin embargo, si las superficies adherentes son incompatibles termodinmicamente, resultar una adhesin deficiente debido a la dificultad de lograr un contacto ntimo entre el adhesivo y el sustrato.</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:La adhesin secundaria entre tomos muy prximos justifica la adhesin entre el sustrato y el adhesivo. A estos enlaces se les conoce como fuerzas de dispersin o de Van der Waals y explican el trabajo termodinmico de los valores de adhesin que es igual a varias decenas de mJ / m. Algunas veces se puede lograr una resistencia de enlace incrementada a travs del labrado spero por medios mecnicos de la superficie de los sustratos, mediante abrasin o chorro de arena. Aparte de mejorar el entrelazado mecnico del adhesivo dentro de las hendiduras y poros de la superficie, el labrado spero mecnico quita capas superficiales dbilmente enlazadas y tambin incrementa el rea de enlace disponible. Las energas de adhesin prcticas (energa de fractura en kJ / m) dependen de la velocidad de carga y temperatura, del adhesivo y del espesor del adherente.</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos: Tipos de adhesivos: los adhesivos se clasifican en una variedad de formas segn su: ! Qumica: epoxies, poliuretanos, poliimidas. ! Tipo: fusin caliente, fusin caliente reactiva, termoestable, sensibles a la presin, de contacto. ! Capacidad de soporte de carga: estructural, semiestructural o no estructural. Los adhesivos estructurales son relativamente fuertes y suelen emplearse muy por debajo de su temperatura de transicin del vidrio, ejemplo: los epoxies y ciertos acrlicos.</p> <p>Desempeo mecnico de adhesivos</p> <p>Clasificacin de adhesivos segn DIN 16920</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:En aplicaciones semiestructurales (donde la falla es menos crtica) y aplicaciones no estructurales (revestimientos, fines estticos) los adhesivos son costo-efectivos para el ensamble de productos terminados, ejemplo: soportes, cubiertas de proteccin, tapas, contenedores, tuberas, placas de identificacin y construccin ligera de equipos y dispositivos mdicos. Para aplicaciones estructurales, los adhesivos se presentan en forma de pastas, lquidos, pelculas y pelculas apoyadas. Una de las propiedades ms importantes de cualquier polmero es la temperatura de transicin del vidrio, que es la temperatura en la que la parte amorfa del polmero experimenta la transicin de un material duro, vidrioso a uno suave, elstico. Para adhesivos estructurales termofraguados, la temperatura de transicin del vidrio ser 50 C mayor que la esperada en servicio.</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos: Distribuciones de esfuerzo bsicas: los conceptos como el retraso del cortante y el de la viga sobre una base elstica proporcionan ideas fundamentales en la distribucin de esfuerzo en un gran nmero de uniones adhesivas que el ingeniero de diseo enfrenta. ! Retraso del cortante: una buena prctica de diseo requiere que las uniones adhesivas se construyan para que el adhesivo soporte la carga en cortante en vez de en tensin. Las uniones de solapa a cortante representan una familia importante de uniones y el anlisis de estas sugiere que la carga aplicada est distribuida de manera uniforme sobre el rea de la unin. La norma ASTM D1002 para uniones de solapa simples describen la resistencia al cortante aparente como la carga de ruptura dividida entre el rea de la unin.</p> <p>Distribucin de esfuerzos en uniones adhesivas</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:! Retraso del cortante: segn O. Volkersen el anlisis del retraso del cortante que considera una unin de solapa doble simtrica (para evitar la excentricidad de la solapa simple) ilustra los principios de distribucin del esfuerzo cortante a travs de la siguiente ecuacin: (x) = P cosh (x) + P 2 Eo to Ei ti 4b senh (l / 2) 4b cosh (l / 2) 2 Eo to + Ei ti + (i o) T senh (x) ( 1/ Eo to + 2 / Ei ti ) cosh (l / 2)P : fuerza aplicada al adherente interior</p> <p>Donde:</p> <p>=</p> <p>G h</p> <p>1 Eo to</p> <p>+</p> <p>2 Ei ti</p> <p>G : mdulo de cortante del adhesivo l y b : longitud y ancho de la unin</p> <p>Eo y Ei : mdulos de los adherentes exterior e interior h: espesor de la capa de adhesivo to y ti : espesor de adherentes exterior e interior o y i : coeficiente de dilatacin trmica</p> <p>Distribucin del esfuerzo cortante en uniones de solapa</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:! Retraso del cortante: el recproco de tiene unidades de longitud y es una medida de cuan rpido (en distancia espacial) se transfiere la carga de un adherente al otro. Las capas adhesivas gruesas y suaves (en comparacin con la rigidez del adherente) tienden a reducir los picos en el esfuerzo cortante ya sea por carga mecnica o trmica. Sin embargo, si la capa de adhesivo resulta muy gruesa, la calidad de la unin disminuye debido al flujo del adhesivo y a la formacin de vacos, lo cual aumenta con el espesor. Adems los adhesivos ms suaves no retienen la resistencia y rigidez al paso del tiempo, causando que la unin no pueda soportar la carga satisfactoriamente sobre periodos prolongados. Las aplicaciones de adhesivos comunes requieren espesores de la capa de adhesivos de 0,1 a 0,5 mm para muchas uniones estructurales y debe ser en funcin de la aplicacin y tolerancias de las partes de acople.</p> <p>Tipos de superficies de adhesin</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:! Viga sobre base elstica: una caracterstica importante del modelo de la viga sobre una base elstica es que la distribucin de esfuerzos global del momento aplicado sobre la unin no produce una fuerza neta. Las zonas de compresin y tensin se contrarrestan una a la otra, de manera que no se presenta una fuerza neta, aunque constituyen un par. ! Concentraciones de esfuerzo en uniones adheridas: se ha visto para el modelo del retraso del cortante, que los esfuerzos se incrementan en los extremos (cinco veces mayor que en el interior) de la unin. En las uniones adheridas se originan concentraciones adicionales de esfuerzo debido a los ngulos abruptos y cambios en las propiedades del material. No obstante, los detalles de las terminaciones de la unin, como la cantidad de adhesivo expulsado y la agudeza de las esquinas del adherente, tienen un efecto notable en la resistencia de la unin.</p> <p>Diseos de uniones adhesivas</p> <p>Diseos de uniones adhesivas segn esfuerzos</p> <p>Diseo de uniones adhesivas segn esfuerzos</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:! Esfuerzos residuales en uniones adhesivas: en las uniones adhesivas los esfuerzos residuales asociados con la diferencia en el coeficiente de dilatacin trmica entre el adhesivo y los adherentes, o entre dos adherentes son significativos. Para adherentes relativamente rgidos hechos con el mismo material, el esfuerzo biaxial en el plano dentro de la lnea de unin se calcula mediante:</p> <p>0 =</p> <p>Ea ( a) T 1 a a : relacin de Poisson del adhesivo</p> <p>Ea : mdulo del adhesivo;</p> <p>a : coeficiente de dilatacin trmica; : coef. de dilatacin trmica de sustratos T : cambio de temperatura a partir de la temperatura libre de esfuerzo(aproximadamente la temperatura de transicin del vidrio).</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos:! Esfuerzos residuales en uniones adhesivas: adems de los esfuerzos normales (esfuerzo biaxial en el plano de unin), tambin se desarrollan esfuerzos cortantes significativos cerca de los bordes de la unin. Caractersticas de uniones adhesivas: las siguientes caractersticas se relacionan principalmente con uniones a travs de adhesivos reactivos, que son los adhesivos de mayor importancia y valor tcnico (resinas macromoleculares: fenlicos y epxicos): " Comportamiento ante lquidos (corrosin): los adhesivos reactivos son en general resistentes a solventes como acetona, nafta, bensol, alcohol, eter y a otros lquidos como aceite, agua, soluciones salinas, soluciones alcalinas y cidos diluidos en contraposicin a los adhesivos con solventes. " Resistencia al envejecimiento: la firmeza constante de la unin es de</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos: Caractersticas de uniones adhesivas: " Termoresistencia: la termoresistencia de la unin adhesiva permanece constante hasta una temperatura de 100 a 150 C y luego decae rpidamente. La desintegracin del adhesivo se inicia a temperaturas entre 200 a 300 C. " Resistencia a esfuerzos: la resistencia a los esfuerzos a tensin y a cortante o a esfuerzos de unin B es uno de los parmetros ms importantes para la unin adhesiva. Ella se determina a partir de uniones de solapa a simple corte a travs de la siguiente frmula: B = Fm A kl = Fm l.b [N / mm] l : longitud de solapa</p> <p>F m : fuerza cortante;</p> <p>A kl : rea de la unin;</p> <p>b : ancho del rea de la unin</p> <p>Resistencia a esfuerzos de uniones adhesivas</p> <p>Esfuerzo de desprendimiento en uniones adhesivas</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos: Caractersticas de uniones adhesivas: " Resistencia a desprendimiento: esfuerzos de desunin a travs de fuerzas normales al rea de la unin en las terminaciones son considerados puntos crticos para fallas y deben ser evitados a travs de mtodos constructivos (remaches, aumento de superficie, etc). La resistencia contra el esfuerzo a desprendimiento se calcula con: = F b [N / mm] F : fuerza de desprendimiento b : ancho del rea de unin</p> <p>" Resistencia permanente: ella depende como la resistencia a esfuerzos del tipo de esfuerzos y de la carga y se denomina resistencia a esfuerzos dinmico. Para un lmite de 10 millones de ciclos de carga su formula es: dyn = 0,2 ... 0,6 B [N / mm] B : resistencia a esfuerzos</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con Adhesivos: Clculo de uniones adhesivas: el clculo se realiza para comprobar las construcciones de uniones. Aparte de los tipos de esfuerzos y cargas (B, , dyn) se deber prever una seguridad suficiente. El esfuerzo lmite (tensin, cortante) para una unin adhesiva sometida a carga dinmica y esttica resulta de la siguiente frmula: lim = B lim = dyn [N / mm] B : resistencia a esfuerzos</p> <p>dyn: resistencia a esfuerzos dinmico</p> <p>se desconocen los factores que influyen sobre la resistencia.</p> <p> : factor de seguridad, se elige = 1,5 ... 2,5. El valor superior se elige cuando Lo que se debe comprobar es: real = F A kl lim</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con flechas y ejes: Una Flecha: es un elemento rotatorio, de seccin transversal circular (cilindro) que se emplea para transmitir potencia o movimiento y constituye el eje de rotacin u oscilacin de elementos como engranes, poleas, volantes de inercia, manivelas y controla la geometra de su movimiento. Un Eje: es un elemento no giratorio que no transmite par de torsin y se usa para soportar ruedas rotatorias, poleas y elementos parecidos. En la etapa de diseo se deben considerar los siguientes puntos: # Deflexin y rigidez: a) deflexin por flexin; b) deflexin por torsin; c) pendiente en los cojinetes y elementos soportados por el eje; d) deflexin por cortante debida a cargas transversales sobre ejes cortos.</p> <p>Uniones con flechas y ejes</p> <p>Clculo y diseo de uniones y elementos de mecnica Uniones con flechas y ejes:# Esfuerzo y resistencia: a) resistencia esttica; b) resistencia a la fatiga; c) confiabilidad. La geometra de un eje por lo general es la de un cilindro escalonado. Durante el diseo se localizan las reas crticas, se dimensionan para cumplir...</p>