UNIDAD 1
1.1 Conceptos de diseño
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1.2 Filosofía del diseño
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1.3 proceso del diseño
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1.4 factores del diseño
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1.5 Fundamentos de ergonomía
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1.6 Bibliografía
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1.1 Concepto de diseño mecánico
En ingeniería el diseño mecánico es el proceso de dar forma, dimensiones, materiales, tecnología de fabricación y funcionamiento de una máquina para que cumpla unas determinadas funciones o necesidades. El diseño se diferencia del análisis, en que en éste se toma un diseño ya existente para estudiarlo, y verificar que cumpla con las necesidades para las que fue diseñado.
¿Qué es el diseño? Es la concepción original de un objeto u obra destinados a la producción en serie
Diseñar: proceso de crear soluciones eficaces Objetivo: proporcionar una o varias soluciones para definir un producto de forma que satisfaga los requisitos y restricciones establecidas
-inventa -satisfacción de necesidades -soluciones simples, efectivas -manufactubilidad -normatividad -Aplicación de conocimientos física, matemáticas
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En años recientes, en el campo de Ingeniería Mecánica se ha manifestado una tendencia hacia requerimientos más estrictos de diseño que respondan a los nuevos estándares y normas nacionales e internacionales. Esto conlleva a la necesidad de crear sistemas mecánicos más modernos y complejos de sistemas mecánicos que utilicen nuevos y mejores materiales, con el objeto de obtener mejorar su desempeño y reducir su costo. La línea de investigación está asociada con el tópico de investigación "Optimación de sistemas mecánicos"
El tópicode investigación “Optimación de Sistemas Mecánicos” está dividida en dos sub-tópicos: “Comportamiento Estático y Dinámico de Sistemas Mecánicos” y “Modificación de Propiedades de Sistemas Mecánicos”, los cuales se establecieron para responder a la necesidad de analizar conjunta y/o separadamente una amplia variedad de problemas existentes en el proceso de diseño, construcción o rediseño de máquinas y sistemas mecánicos, con sus elementos y uniones. Se abordan temáticas relacionadas con el análisis estático y dinámico de sistemas mecánicos, que han incluido estudios de elementos deformables en uniones mecánicas y de fenómenos de vibración, amortiguamiento, esfuerzos y deformaciones, como los causados por el impacto de componentes mecánicos; también se han abordado problemas de tribología como lo son el desgaste, la fricción y los ajustes de componentes mecánicos. Con base en la organización actual del trabajo de investigación en el Departamento, es posible realizar contribuciones en campos complejos tales como el análisis y diseño de líneas tecnológicas, sistemas dinámicos, tribología y biomecánica. En el trabajo de investigación, los investigadores y alumnos diseñan y construyen los sistemas experimentales que permiten determinar el comportamiento estático y dinámico de diferentes tipos de uniones de sistemas 2
mecánicos, máquinas y mecanismos en distintas condiciones de operación. Normalmente se realiza la investigación en una serie de etapas, iniciando con modelos simples de elementos o sistemas mecánicos y posteriormente incrementando la complejidad del modelo, hasta aproximarse lo más posible a condiciones reales de operación. De esta manera los estudiantes pueden conocer no sólo los aspectos teóricos de los problemas atacados, sino también sus aspectos prácticos. La experimentación comúnmente requiere diseñar estrategias de medición, diseñar y construir piezas y bancos de prueba, desarrollar sistemas para la adquisición de datos e idear métodos para la interpretación de resultados experimentales. En el desarrollo de sus proyectos de tesis, nuestros estudiantes se involucran en estas actividades, lo cual les brinda una amplia gama de habilidades técnicas propias del trabajo de investigación. Además del trabajo experimental que se realiza en nuestros laboratorios, parte de nuestro esfuerzo está dedicado al desarrollo de modelos numéricos de sistemas mecánicos. En la actualidad, la línea de Optimación de Sistemas Mecánicos ha profundizado en el uso del método de elementos finitos, ya que es una técnica versátil con amplias posibilidades de aplicación en problemas referentes a los procesos de diseño y rediseño de máquinas y de sus componentes.
Mediante el análisis de vibraciones se estudia también el comportamiento dinámico de componentes de máquinas y estructuras. Aplicaciones de importancia para la industria, como lo son el balanceo de rotores, la validación de modelos numéricos de componentes de máquinas a través de pruebas de vibración y análisis modal, la medición de niveles de vibración y la optimación de componentes de máquinas con base en sus características dinámicas, constituyen la base para el trabajo de investigación en el área de vibraciones mecánicas.
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En esta línea de investigación, en apoyo a la industria nacional, también se trabaja en proyectos que desarrollan conocimiento experimental para el recubrimiento de superficies de equipo industrial expuesto a condiciones térmicas o de abrasión extremas. Mediante las técnicas desarrolladas en nuestro laboratorio se espera prolongar la vida útil de estos equipos y minimizar los tiempos muertos derivados de fallas.
Un área novedosa de aplicación de las investigaciones del Departamento, en la cual se utilizan elementos de las diversas disciplinas cultivadas en el grupo de Diseño Mecánico, es el diseño de elementos protésicos para cadera y rodilla, entre otros. Este trabajo ha involucrado desarrollos relacionados con la modificación de las propiedades superficiales de materiales y el diseño de nuevas estructuras.
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1.2 Filosofía del diseño mecánico
El diseño es una actividad mental, una actividad fruto del intelecto mediante la cual se generan una serie de ideas respecto a la solución práctica de un problema que requiere del desarrollo y/o construcción de una máquina, mecanismo, dispositivo y/o la creación de un proceso. Desde un punto de vista amplio el proceso de diseño es aplicable a las artes como a las actividades técnicas. El proceso de diseño implica la definición clara de que es lo que se debe desarrollar, como debe funcionar, como se debe hacer, las funciones, los requerimientos, etc. El diseño tiene diferentes niveles dependiendo del grado de profundidad que se le dé a la solución. Este puede ser simplemente los esquemas, plano o bocetos sobre una obra o maquina o puede tener una mayor complejidad e incluir las memorias de cálculo que permiten dimensionar el tamaño de los componentes, la selección de los materiales, la simulación computacional del funcionamiento del equipo, entre otras. En general puede decirse que el diseño es la formulación de un plan integral realizado por un grupo interdisciplinario, cuyo objetivo es satisfacer una necesidad. El objetivo de este curso es brindar los elementos básicos para el diseño de componentes y elementos mecánicos. Para llevar a cabo el diseño mecánico es necesario tener bases fuertes en las áreas de la mecánica de materiales, dibujo, mecanismos, materiales de ingeniería y procesos de fabricación principalmente. Dependiendo del objeto del diseño es probable que se tenga que aplicar principios de la mecánica de fluidos, termodinámica, turbomaquinas y algunas más. ÉTAPAS DEL DISEÑO 5
ESTABLERCER LA NECESIDAD
IDENTIFICAR EL PROBLEMA
SINTESIS
PRESENTACIÓN DEL TRABAJO
EVALUACIÓN
ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN
El establecimiento de la necesidad es lo que da inicio a la búsqueda de una solución. Normalmente esta necesidad es planteada por el cliente (interno o externo).Por ejemplo: La Falta de agua en una cierta región.
La identificación del problema es lo que causa que exista esa necesidad, en el ejemplo anterior cabria preguntarse ¿Por qué no hay agua en la población?. Hay varias posibles explicaciones: La falta de afluentes, la profundidad a la que se encuentran, la distancia hasta el sitio en donde se requiere, etc. Digamos que para el caso, existe un afluente subterráneo, pero se encuentra a una profundidad considerable. La síntesis es el proceso en el cual comienza el desarrollo del diseño como tal. Se ha recopilado toda la información pertinente y se formulan una o varias alternativas de solución y se hace los análisis preliminares, se establecen costos, materiales, limitaciones, ventajas y desventajas de las opciones planteadas. En el análisis y optimización se trabaja usualmente sobre la mejor alternativa y se le hace un estudio más completo de su viabilidad técnica y económica. Se tienen todas las memorias de cálculo y se aplican técnicas avanzadas para determinar si la alternativa es funcional o no. Es posible que se hayan desarrollado prototipos o simulaciones en esta etapa. La evaluación, sugiere que con base a criterios objetivos se determine si la opción es aceptada o no. Esta etapa, puede requerir en el caso de que se hayan construido prototipos o modelos de la realización de ensayos y de simulaciones para determinar en su comportamiento y desempeño.
Parámetros o criterios de diseño:
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La Resistencia requerida en los diferentes componentes dadas las solicitaciones de carga a las que van a ser sometidos, las condiciones de operación, incluyendo el entorno(tipo de atmósfera, humedad, temperatura, …) y la vida esperada del mismo. Los Materiales a emplear en la fabricación de los componentes, los cuales tienen diferentes características en cuando a sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Además de los aspectos relacionados con su costo, fabricación, manipulación y disponibilidad., entre otros. Los Costos en los que se debe incurrir para el desarrollo del proyecto, la materialización del diseño. Estos costos están relacionados, como ya se mencionó, con los materiales, los procesos de fabricación, ensamblaje, las pruebas técnicas y demás recursos requeridos durante la etapa de construcción y prueba y optimización. La solución o el diseño puede ser muy bueno y cumplir a cabalidad con todos los requerimientos especificados, pero si su costo supera el presupuesto tazado para el proyecto, este será finalmente rechazado o deberá ser modificado de tal forma que se cumpla con los objetivos y el costo este dentro de lo estipulado.
El tiempo disponible para la realización del proyecto, desde la fase de concepción hasta la entrega.
El peso de la estructura, puede ser un factor determinante en el diseño, y usualmente debe tenerse especial cuidado al momento de la realización de los cálculos los esfuerzos a los que esta sometido el material. En ocasiones debe analizarse la relación resistencia mecánica peso como un criterio adicional para la selección del material a emplear en la construcción de la maquina o del componente mecánico.
Otros aspectos técnicos: tales como el ensamblaje, el mantenimiento, la seguridad deben ser tenidos en cuenta en el proceso de diseño.
En la actualidad se emplean algunos otros factores al momento de evaluar los diseños. Algunos de estos factores son: Una práctica común en el diseño es el uso de factores, usualmente denominados, de seguridad con los cuales se tiene un margen adicional que busca garantizar que el diseño escogido satisfaga adecuadamente los requerimientos bajo los cuales se formuló. Estos factores tienen en cuenta por ejemplo que los valores de la resistencia de los materiales suministrados por los 7
fabricantes son de referencia y que estos pueden ser diferentes a los esperados. Cuando el diseño implica un riesgo alto debido a la presencia de vidas humanas, es preferible ser un poco conservador durante el proceso de diseño. Existen muchas otras circunstancias que sugieren el uso de estos factores de seguridad. El proceso de diseño se rige por Códigos y Normas de entes gubernamentales o de asociaciones técnicas. Los Códigos son directrices de estricto cumplimiento, y son supervisados por los organismos de control de los países y las normas son recomendaciones de entidades, sociedades o agremiaciones de empresas o especialistas en un área del saber específico. 1.3 El proceso del diseño: Debemos comenzar por preguntarnos: ¿Qué es el diseño? Y para esto debemos entender que el diseño se encuentra a nuestro alrededor en prácticamente todo. El termino diseño claramente abarca una amplia gama de significados que en la mayor parte de los casos se refiere a la apariencia estética del objeto, y muchas veces se puede ver esto desde el enfoque artístico y porque no, desde este punto de vista en el diseño mecánico también se podría catalogar al ingeniero como un artista. La palabra diseño tiene su origen en el vocablo latín designare que significa "designar, marcar" y ya que el fin de este trabajo es enfocarse en el diseño dentro del dominio de la ingeniería lo definiremos como "el proceso de aplicar las diversas técnicas y los principios científicos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realización". 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.
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El diseño es una actividad de intensa comunicación en la cual se usan tanto palabras como imágenes y se emplean las formas escritas y orales. Los ingenieros deben comunicarse en forma eficaz y trabajar con gente de muchas disciplinas. Éstas son habilidades importantes y el éxito de un ingeniero depende de ellas. Las fuentes personales de creatividad de un diseñador, la habilidad para comunicarse y la destreza para resolver problemas están entrelazadas con el conocimiento de la tecnología y sus principios fundamentales. Las herramientas de la ingeniería (como las matemáticas, la estadística, la computación, las gráficas y el lenguaje) se combinan para producir un plan, que cuando se lleva a cabo crea un producto funcional, seguro, confiable, competitivo y útil sin importar quién lo construya o lo use. El diseño mecánico es una tarea compleja que requiere muchas habilidades y comúnmente es un trabajo que se realiza en equipo pues casi siempre resultan mejores opciones si más de una mente se encuentra pensando en resolver un problema determinado, en este punto sería importante recalcar las capacidades individuales para poder relacionarse en el área de trabajo de nuestro equipo y que al detectar que estas no son de la manera óptima tomar las medidas necesarias (sea una capacitación, un cambio de personal, etc.) para poder llevar a cabo nuestra tarea. "Es necesario subdividir grandes relaciones en una serie de tareas simples pues facilita el seguimiento del proyecto y los avances son más fructíferos." Diseño de máquinas El diseño de máquinas es un aspecto en particular dentro del diseño de ingeniería, el diseño de máquinas se ocupa de la creación de la maquinaria para que funcione segura y confiablemente bien. Maquina: "Aparato formado de unidades interrelacionadas, dispositivo que modifica una fuerza o un movimiento." Dentro del funcionamiento de una maquina es muy importante tener claro el concepto de "trabajo útil" ya que en ello casi siempre habrá alguna transferencia de energía. Otros conceptos a tener presentes son "fuerza y movimiento" ya que al convertir la energía de una forma a otra las maquinas crean movimiento y generan fuerza. 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 9
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. Los problemas reales se resisten a la especialización. Un simple muñón y cojinete involucran flujo de fluidos, transferencia de calor, fricción, transporte de energía, selección de materiales, tratamientos termo mecánicos, descripciones estadísticas, etc. La construcción debe respetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefacción, ventilación y de acondicionamiento del aire son lo suficientemente especializadas que algunos hablan del diseño de la calefacción, ventilación y del acondicionamiento del aire como si estuvieran separados y fueran distintos del diseño en la ingeniería mecánica. En forma similar, algunas veces el diseño de motores de combustión interna, de turbo-maquinaria y de motores de reacción se consideran entidades discretas. La serie de adjetivos que siguen a la palabra diseño sólo es una ayuda para describir el producto. De manera similar, hay frases como diseño de máquinas, diseño de elementos de máquinas, diseño de componentes de máquinas, diseño de sistemas y diseño de potencia hidráulica. Todas ellas son ejemplos un poco más enfocados del diseño en la ingeniería mecánica. Se basan en las mismas fuentes de conocimiento, se organizan en forma similar y requieren habilidades semejantes. La complejidad del tema requiere una secuencia en la que las ideas se presentan y se revisan, de esta manera aparecen mejores propuestas o se encuentran detalles que podrían influenciar o comprometer los resultados, así se puede asegurar la óptima resolución. El diseño es un proceso iterativo con muchas fases interactivas, nunca es suficiente siempre existirá una forma de mejorar el diseño pero es importante entender en que momento el problema se ha resuelto para entender en que momento el diseño es eficiente. Existen muchos recursos para apoyar al diseñador, entre los que se incluyen muchas fuentes de información y una gran abundancia de herramientas de diseño por computadora. El ingeniero de diseño no sólo necesita desarrollar competencia en su campo, sino que también debe cultivar un fuerte sentido de responsabilidad y ética de trabajo profesional. Hay funciones que deben realizarse mediante códigos y normas, por la siempre presente economía, por seguridad y por consideraciones de responsabilidad legal del producto. La supervivencia de un componente mecánico está frecuentemente relacionada con el esfuerzo y la resistencia. Los aspectos de incertidumbre siempre han estado presentes en el diseño en la ingeniería y se abordan de manera típica mediante el factor de diseño y el factor de seguridad, ya sea en la 10
forma determinista (absoluta) o en un sentido estadístico. El enfoque estadístico se refiere a la confiabilidad del diseño y necesita buenos datos estadísticos. En el diseño mecánico existen otras consideraciones que incluyen las dimensiones y las tolerancias, unidades y cálculos. Nos enfocaremos en 4 partes: La parte 1, Fundamentos, comienza con la explicación de algunas de las diferencias entre el diseño y el análisis, y presenta diversas nociones y enfoques fundamentales del diseño. Continúa con tres capítulos donde se repasan las propiedades de los materiales, el análisis de esfuerzos y el análisis de la rigidez y de la deflexión, que representan los principios clave necesarios para el resto del libro. La parte 2, Prevención de fallas, consta de dos capítulos acerca de la prevención de fallas en partes mecánicas. Por qué fallan las máquinas y cómo pueden diseñarse para prevenir la falla son preguntas difíciles y por lo tanto se requieren dos capítulos para responderlas; uno sobre la prevención de la falla debida a cargas estáticas, y el otro sobre la prevención de la falla por fatiga provocada por cargas cíclicas que varían con el tiempo. En la parte 3, Diseño de elementos mecánicos, el material de las partes 1 y 2 se aplica al análisis, selección y diseño de elementos mecánicos específicos, como ejes, sujetadores, partes soldadas, resortes, cojinetes de contacto de bolas, cojinetes de película, engranes, bandas, cadenas y cables. En la parte 4, Herramientas de análisis, se proporcionan introducciones a dos importantes métodos que se utilizan en el diseño mecánico: análisis del elemento finito y análisis estadístico. Éste es material de estudio opcional, pero algunas secciones y ejemplos de las partes 1, 2 y 3 demuestran el uso de estas herramientas. Dentro de estos 4 puntos principales podemos hacer un desglose del proceso de diseño de la siguiente manera: 1. Identificación de la necesidad 2. Investigación de antecedentes 3. Enunciado del objetivo 4. Especificaciones de la tarea 5. Síntesis 6. Análisis 11
7. Selección 8. Diseño detallado 9. Prototipos y pruebas 10. Producción Fases e interacciones del proceso de diseño El proceso completo, de principio a fin, comienza con la identificación de una necesidad y la decisión de hacer algo al respecto. Después de muchas iteraciones, termina con la presentación de los planes para satisfacer la necesidad. De acuerdo con la naturaleza de la tarea de diseño, algunas fases de éste pueden repetirse durante la vida del producto, desde la concepción hasta la terminación. En las siguientes secciones se examinarán estos pasos del proceso de diseño con más detalle. 1.4 Factores del diseño
1.5 Fundamentos de ergonomía
Definiciones de ergonomía El término ergonomía proviene de las palabras griegas ergon (trabajo) y nomos (ley o norma); la primera referencia a la ergonomía aparece recogida en el libro del polaco Wojciech Jastrzebowki (1857) titulado Compendio de Ergonomía o de la ciencia del trabajo basada en verdades tomadas de la naturaleza, que según traducción de Pacaud (1974) dice: “para empezar un estudio científico del trabajo y elaborar una concepción de la ciencia del trabajo en tanto que disciplina, no debemos supeditarla en absoluto a otras disciplinas científicas,… para que esta ciencia del trabajo, que entendemos en el sentido no unilateral del trabajo físico, de labor, sino de trabajo total, recurriendo simultáneamente a nuestras facultades físicas, estéticas, racionales y morales…”. De todas formas, la utilización moderna del término se debe a Murrell y ha sido adoptado oficialmente durante la creación, en julio de 1949, de la primera sociedad de ergonomía, la Ergonomics Research Society, fundada por ingenieros, fisiólogos y psicólogos británicos con el fin de “adaptar el trabajo al hombre”.
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Durante la II Guerra Mundial los progresos de la tecnología habían permitido construir máquinas bélicas, sobre todo aviones, cada vez más complejas de utilizar en condiciones extremas. A pesar del proceso de selección del personal, de su formación, de su entrenamiento y de su elevada motivación para desempeñar las tareas propuestas, las dificultades con las que se encontraban para desarrollar su cometido provocaban multitud de pérdidas materiales e incluso pérdidas humanas.
La selección, el entrenamiento, y la motivación no eran, pues, suficientes: la plasticidad humana para responder a los requerimientos de las máquinas tenía sus límites.
El análisis de las necesidades y posibilidades del hombre, por parte de los ingenieros, fisiólogos, psicólogos, etc... no podía fundamentarse única y exclusivamente en el “me pongo en su lugar”: debían generarse una serie de técnicas que permitieran operativizar este “ponerse en su lugar”. La competencia técnica y el avance tecnológico, indispensable para concebir nuevas máquinas, herramientas o equipamientos, no era condición suficiente y necesaria para asegurar el buen funcionamiento de éstas. Se necesitaban “otros” conocimientos, o tal vez, otra manera de plantear el problema que permitiera, en la medida de lo posible, anticipar el comportamiento de las personas en la situación de relación PM, para de esta forma reducir su riesgo de error, e incrementar el grado de fiabilidad humana: había nacido la ergonomía moderna
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Bibliografia
https://es.wikipedia.org/wiki/Dise%C3%B1o_mec%C3%A1nico 14
http://es.slideshare.net/Danielevc66/diseo-mecnico-conceptos
http://www.cenidet.edu.mx/subaca/web-mec2/investigacion/lineadiseno.html
MONDELO R. PEDRO, GREGORI E. “Ergonomía 1 Fundamentos” ed. Mutua universal
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