CLCULO, CONSTRUCCIN Y ENSAYO DE MQUINAS INOTAS A LA NUEVA EDICIN DEL LIBRO DE TEXTO

El texto base que se recomienda en la Gua del Curso para la asignatura de Clculo, Construccin y Ensayo de Mquinas I es, adems de la addenda de Vibraciones en Mquinas, el libro de Shigley y Mischke, Diseo en Ingeniera Mecnica, 5 edicin, McGraw-Hill. De esta obra ha aparecido recientemente la 6 edicin, con una serie de modificaciones que obliga a hacer algunas consideraciones y aclaraciones. Los alumnos que utilicen esta 6 edicin para la preparacin de la asignatura debern tener presente lo que se comenta a continuacin. PROGRAMA DE LA ASIGNATURA Aunque, obviamente, los contenidos de ambas ediciones son coincidentes en lo bsico, existen algunas diferencias en cuanto a la presentacin de los mismos. Del mismo modo, el programa de la asignatura es idntico, con independencia de la edicin que se utilice para su preparacin. Sin embargo, a fin de facilitar al alumno la tarea de delimitacin de los contenidos del programa dentro de la mayor amplitud del texto base, ha parecido conveniente modificar los ttulos de los captulos y epgrafes, a fin de hacerlos coincidir con los de cada edicin del libro. No se trata, por supuesto, de que el programa no sea el mismo (es idntico), sino de que sus contenidos se agrupan bajo epgrafes ligeramente diferentes en ocasiones. A continuacin se presenta el programa desarrollado de la asignatura, organizado de acuerdo con la estructura de la 6 edicin del libro de Shigley. Entre parntesis se indican los captulos y epgrafes de los libros de texto recomendados, en los que se desarrollan los contenidos correspondientes.

Unidad Didctica ITEMA 1. INTRODUCCIN (Captulo 1 del libro de texto). 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. TEMA 2. El diseo (1-1). Interaccin entre los elementos del proceso de diseo (1-5). Cdigos y normas (1-6). Economa (1-7). Esfuerzo y resistencia (1-11). Factor de diseo y factor de seguridad (1-12). Confiabilidad (1-13).

ESFUERZO (Captulo 3 del libro de texto). 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. Componentes del esfuerzo (3-1). Crculos de Mohr (3-2). Esfuerzo triaxial (3-3). Esfuerzos uniformemente distribuidos (3-4). Deformacin elstica (3-5). Relaciones esfuerzo-deformacin (3-6). Equilibrio (3-7). Esfuerzo cortante y momento flexionante (3-8). Esfuerzo normal en flexin (3-10). Vigas de seccin asimtrica (3-11). Esfuerzos cortantes en vigas (3-12). Esfuerzos cortantes en vigas de seccin rectangular (3-13). Torsin (3-14)1. Concentracin de esfuerzos (3-15). Esfuerzos de contacto (3-21).

1

No incluye los sub-apartados Tubos de pared delgada cerrados y Secciones de pared delgada abierta.

TEMA 3.

DEFLEXIN Y RIGIDEZ (Captulo 4 del libro de texto). 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. Constante de resortes (4-1). Tensin, compresin y torsin (4-2). Deformacin debida a flexin (4-3). Energa de deformacin (4-7). Teorema de Castigliano (4-8). Problemas estticamente indeterminados (4-9).

TEMA 4.

VIBRACIONES EN MQUINAS (Addenda de Vibraciones en Mquinas). 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. Caractersticas de las vibraciones mecnicas y choques. Respuesta de los sistemas mecnicos ante vibraciones y choques. Efecto de las vibraciones y choques en sistemas mecnicos. Ensayo de sistemas mecnicos mediante el estudio del comportamiento ante vibraciones y choques.

Unidad Didctica IITEMA 5. MATERIALES (Captulo 5 del libro de texto). 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11. 5.12. 5.13. 5.14. 5.15. 5.16. 5.17. 5.18. 5.19. 5.20. TEMA 6. Resistencia esttica (5-1). Deformacin plstica (5-2). Resistencia y trabajo en fro (5-3). Dureza (5-4)2. Efectos de la temperatura (5-6). Fundicin en arena (5-8). Moldeo de cascarn (5-9). Fundicin en molde perdido (5-10). Proceso de metalurgia de polvos (5-11). Procesos de trabajo en caliente (5-12). Procesos de trabajo en fro (5-13). Tratamiento trmico del acero (5-14). Aceros aleados (5-15). Aceros resistentes a la corrosin (5-16). Materiales para fundicin (5-17). Metales no ferrosos (5-18). Plsticos (5-19). Sensibilidad a la muesca (5-20). Introduccin a la mecnica de la fractura (5-21)3. Agrietamiento por corrosin en esfuerzo continuo (5-22).

FALLAS RESULTANTES DE CARGA ESTTICA (Captulo 6 del libro de texto). 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. Resistencia esttica (6-1). Concentracin de esfuerzo (6-2). Hiptesis de la falla (6-3). Materiales dctiles: hiptesis del esfuerzo cortante mximo (Tresca) (6-4). Materiales dctiles: hiptesis de la energa de deformacin (6-5). Materiales dctiles: hiptesis de la friccin interna (6-6). Crticas a las hiptesis por medio de datos en materiales dctiles (6-7).

2

En sta, como en otras secciones del libro, el autor considera determinadas magnitudes fsicas (dureza, resistencia, etc.) como distribuciones estadsticas, en lugar de valores determinados. Es evidente que en la realidad las cosas son as; sin embargo, este enfoque probabilstico excede los objetivos de la asignatura. Dicho enfoque se introduce en el apartado 1-7 del tema 1, y se trabaja con ms detalle en el captulo de rodamientos. En todo el resto del programa, tales magnitudes estarn siempre asociadas a valores, y tan slo se habr de tener presente que tales valores se refieren a una fiabilidad (confiabilidad) determinada. As, por ejemplo, en referencia a este apartado, la relacin entre la resistencia ltima y la dureza Brinell para aceros al carbono de baja aleacin, se utilizarn las ecuaciones (5-20) del libro para una confiabilidad del 99%, las (5-21) para hierro fundido, etc. 3 No incluye los sub-apartados Fatiga, Crecimiento de la grieta y Prediccin de la vida (o duracin).

6.8. 6.9. 6.10. TEMA 7.

Materiales frgiles: hiptesis del esfuerzo normal mximo (Rankine) (6-8). Materiales frgiles: modificaciones de la hiptesis de Mohr (6-9). Crtica a las hiptesis por medio de datos en materiales frgiles (6-10).

FALLAS RESULTANTES POR CARGA VARIABLE (Captulo 7 del libro de texto)4. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7. 7.8. 7.9. 7.10. 7.11. 7.12. 7.13. Introduccin a la fatiga en metales (7-1). Relaciones deformacin-vida (7-2). Relaciones esfuerzo-vida (7-3). Lmite de resistencia a la fatiga (7-4). Resistencia a la fatiga (7-5). Factores que modifican el lmite de resistencia a la fatiga (7-6). Concentracin de esfuerzo y sensibilidad a la muesca (7-7). Caracterizacin de esfuerzos fluctuantes (7-10). Lugares geomtricos ante esfuerzos variables (7-11). Resistencia a la fatiga por torsin bajo esfuerzos pulsantes (7-12). Cargas combinadas (7-13). Dao acumulativo por fatiga (7-15). Resistencia a la fatiga superficial (7-17).

Unidad Didctica IIITEMA 8. TORNILLOS, texto). 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. 8.8. 8.9. 8.10. 8.11. 8.12. 8.13. 8.14. TEMA 9.SUJETADORES Y DISEO DE UNIONES NO PERMANENTES

(Captulo 8 del libro de

Normas y definiciones de roscas (8-1). Mecnica de los tornillos de transmisin de potencia (8-2). Sujetadores roscados (8-3). Uniones: rigidez del sujetador (8-4). Uniones: rigidez del elemento (8-5). Resistencia del perno (8-6). Uniones a tensin: la carga externa (8-7). Relacin de par de torsin del perno con la tensin del perno (8-8). Unin estticamente cargada a tensin: precarga (8-9). Uniones con empaque (8-10). Juntas a tensin: carga dinmica (8-11). Uniones a cortante (8-13). Tornillos de presin (8-14). Pasadores y cuas (8-15).

RESORTES MECNICOS (Captulo 10 del libro de texto)5. 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8. 9.9. 9.10. Esfuerzos en resortes helicoidales (10-1). Efecto de curvatura (10-2). Deflexin de resortes helicoidales (10-3). Resortes de extensin (10-4). Resortes de compresin (10-5). Estabilidad (10-6). Materiales para resortes (10-7). Frecuencia crtica de resortes helicoidales (10-9). Carga de fatiga (10-10, 10-11 y 10-12). Diseo de resortes de espiras helicoidales de torsin (10-14).

Algunos de los valores de los coeficientes que se indican en este captulo del libro de texto son ligeramente diferentes a los que se presentan en la 5 edicin, debido sin duda a nuevos resultados de recientes investigaciones. Sin embargo, todos los resultados del libro Problemas de Diseo de Mquinas estn calculados con los datos de la 5 edicin. Por ello, se recomienda utilizar en los clculos los datos de dicha 5 edicin, a fin de obtener resultados coincidentes. En el anexo I de este documento se especifican dichos valores. En todo caso, se recomienda preparar este tema del programa con el libro Fundamentos del Diseo de Mquinas. 5 Tambin en este captulo se modifican algunos valores respecto de la 5 edicin. Utilizar preferiblemente los valores que se presentan en el anexo II.

4

TEMA 10.

COJINETES DE CONTACTO RODANTE (Captulo 11 del libro de texto). 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 10.6. 10.7. 10.8. 10.9. 10.10. Tipos de cojinetes (11-1). Vida de los cojinetes (11-2). Efecto carga-vida del cojinete, a confiabilidad constante (11-3). Supervivencia del cojinete: efecto confiabilidad-vida (11-4)6. Efecto carga-vida-confiabilidad (11-5). Cargas combinadas, radial y de empuje (11-6). Seleccin de cojinetes de bolas y de rodillos cilndricos (11-8). Seleccin de cojinetes de rodillos cnicos (11-9). Lubricacin (11-11). Montaje y alojamiento (11-12).

TEMA 11.

COJINETES DE CONTACTO DESLIZANTE Y LUBRICACIN (Captulo 12 del libro de texto). 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8. 11.9. 11.10. 11.11. Tipos de lubricacin (12-1). Viscosidad (12-2). Ecuacin de Petroff (12-3). Lubricacin estable (12-4). Lubricacin de pelcula gruesa (12-5). Teora hidrodinmica (12-6). Consideraciones de diseo (12-7). Relaciones de las variables (12-8). Condiciones de estado estable en cojinetes autocontenidos (12-9). Holgura (12-10). Cojinetes con lubricacin a presin (12-11).

TEMA 12.

EMBRAGUES Y FRENOS (Captulo 16 del libro de texto). 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5. 12.6. 12.7. 12.8. 12.9. 12.10. Fundamentos del anlisis de frenos (16-1). Embragues y frenos de tambor con zapatas internas expansibles (16-2). Embragues y frenos de tambor con zapatas exteriores contrctiles (16-3). Embragues y frenos de banda (16-4). Embragues axiales de friccin de contacto (16-5). Frenos de disco (16-6). Embragues y frenos cnicos (16-7). Consideraciones de energa (16-9). Aumento de la temperatura (16-10). Materiales de friccin (16-11).

TEMA 13.

FLECHAS Y EJES (Captulo 18 del libro de texto). 13.1. 13.2. 13.3. Introduccin (18-1). Determinacin de la configuracin geomtrica de un eje (18-2). Anlisis de resistencia (18-3).

6

Ver anexo III para valores de los parmetros de Weibull.

ANEXO I COEFICIENTES PARA EL CLCULO A FATIGA En este anexo se presentan los valores de los coeficientes que se deben utilizar para los clculos a fatiga, de forma que los resultados obtenidos coincidan con los del libro de problemas. Estos valores son los que presenta la 5 edicin del libro de texto Diseo en Ingeniera Mecnica, as como la obra de consulta recomendada Fundamentos del Diseo de Mquinas. Se recomienda utilizar este ltimo para la preparacin del tema 7 del programa. El lmite de fatiga de probeta rotatoria, o lmite de fatiga sin corregir, S'e , para el caso de aceros, se tomar como el menor de 0.504 S ut o 1400 MPa (200 kpsi), en lugar de los valores dados por la ecuacin (7-4) del libro de texto. La resistencia a fatiga para 1000 ciclos se considerar igual a 0.9S ut ; es decir, el coeficiente f que aparece en las ecuaciones de la pgina 376 se tomar igual a 0.9 en todos los casos. El factor de superficie ka se calcular con la ecuacin k a = aS ut , donde los coeficientes a y b seb

obtendrn de la siguiente tabla (que sustituye a la tabla 7-5 del libro de texto): Acabado superficial Esmerilado (rectificado) Maquinado o estirado en fro Laminado en caliente Forjado a kpsi 1.34 2.70 14.4 39.9 MPa 1.58 4.51 57.7 272.0 b -0.085 -0.265 -0.718 -0.995

El factor de tamao para carga de flexin y torsin ecuacin (7-10) del libro para dimetros menores de 2 pulg (51 mm) se calcular con las expresiones:

d kb = 0.3 0.1133 d kb = 7.62

0.1133

para 0.11 d 2 pulg (d en pulg) para 2.79 d 51 mm (d en mm)

El factor de carga est muy confusamente explicado en el libro de texto. Se utilizar k c = 0.923 para carga axial con S ut 220 kpsi (1520 MPa) , y k c = 1 para todos los restantes casos. El factor de temperatura, obtenido de la tabla 7-11, se utilizar, siempre que sea posible, afectando a la resistencia ltima, lo que afectar tambin, entre otros factores, al clculo de ka. Cuando se haga as, se tomar, consecuentemente, k d = 1 . El factor de concentracin de esfuerzo se calcular mediante la ecuacin K f = 1 + q(K t 1) 7.

7

Para el clculo de los factores de concentracin de esfuerzos tericos Kt correspondientes a ejes redondos con cambio de seccin (figuras E-15-7, E-15-8 y E-15-9), el libro de texto presenta una serie de ecuaciones y tablas, que en la edicin anterior venan dadas en forma de grficas. Quiere decirse que habr una pequea diferencia entre los valores obtenidos por ambos mtodos. Para la resolucin de los problemas del libro Problemas de Diseo de Mquinas se recomienda utilizar las ecuaciones y tablas del libro para comprobar que la diferencia es pequea con respecto a los valores que se dan en el libro de problemas, pero continuar la resolucin con estos ltimos valores, para que los resultados coincidan.

ANEXO II COEFICIENTES PARA EL CLCULO DE UNIONES ROSCADAS El factor de concentracin de esfuerzos en el gancho de los resortes de extensin se calcular mediante la expresin:

K=

r1 ri

en lugar de las expresiones (10-10a) y (10-10b) del libro. La tabla 10-5 para los coeficientes de la expresin de la resistencia ltima del alambre, se sustituir por la siguiente: Material Alambre para cuerda musical Alambre revenido en aceite Alambre estirado duro Al cromo vanadio Al cromo silicio ASTM Nm. A228 A229 A227 A232 A401 m 0.163 0.193 0.201 0.155 0.091 A kpsi 186 146 137 173 218 MPa 2060 1610 1510 1790 1960

Para el clculo de los lmites de fatiga a torsin Sse de aceros, corregidos por acabado superficial, tamao y cargas, en lugar de los valores que aparecen en la pgina 630, se tomarn los siguientes:

S se = k a k b k c S ' se = 45.0 kpsi (310 MPa) para resortes sin granallar S se = k a k b k c S ' se = 67.5 kpsi (465 MPa) para resortes granalladosANEXO III PARMETROS DE LA DISTRIBUCIN DE WEIBULL PARA COJINETES DE RODADURA El libro, en los ejemplos 11-2 y 11-3, indica los valores de los parmetros de Weibull para los cojinetes de bolas, pero no considera el caso de cojinetes de rodillos, cilndricos o snicos. La tabla siguiente ampla esa informacin: Tipo de rodamiento Bolas o Rodillos cilndricos Rodillos Cnicos x0 0.02 0 (x0) 4.439 4.48 b 1.483 1.5