INTRODUCCIÓN AL DISEÑO EN LA INGENIERÍA MECÁNICA Para el diseño mecánico es necesario contar con ciertas habilidades, debido a que no es una tarea sencilla. Para llevar a cabo este proceso, se puede utilizar herramientas de diseño por computador. Por otra parte este diseño debe de cumplir con ciertos códigos y normas ya que los componentes mecánicos están frecuentemente relacionados con el esfuerzo y la resistencia.
EL DISEÑO Para realizar un diseño primeramente hay que crear un plan o para poder resolver algún problema. Para poder producir este plan, se utilizan herramientas de la ingeniería como lo son, las matemáticas, la estadística, la computación, las gráficas y el lenguaje. Una vez que el plan se llevó a cabo, se crea un producto final, el cual es funcional, seguro, confiable, útil, que se puede fabricar y comerc ializar.
EL DISEÑO DE LA INGENIERÍA MECÁNICA El diseño en la ingeniería mecánica involucra todas las áreas que componen la disciplina de ingeniería mecánica, es decir, es necesario tener las bases de mecánica de sólidos, fluidos, transferencia de masa, momentos, procesos de manufactura, teoría eléctrica, etc. Para poder realizar un diseño mecánico.
FASES E INTERACCIONES DEL PROCESO DE DISEÑO La primera fase del diseño mecánico comienza con la identificación de una necesidad, y después de realizar algunos análisis y ajustes, termina con el plan para llevar a cabo esta problemática.
Fases en el diseño. Las especificaciones de un diseño definen el costo, la cantidad que se va a manufacturar, la vida esperada, el intervalo, la temperatura de operación y la confiabilidad. Los procesos de manufactura disponibles y las instalaciones de la planta constituyen restricciones a la libertad del diseñador, por lo que deben de formar parte de las especificaciones del diseño mecánico. De esta manera se concluye que cualquier cosa que limite la libertad de elección del diseñador significa una restricción. 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. Es así como 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. Otra fase muy importante en el diseño mecánico es la evaluación, ya que representa la prueba final de un diseño exitoso y por lo gene ral implica la prueba del prototipo en el laboratorio. Por último, se encuentra la fase de presentación, en la cual el ingeniero da a conocer su nueva solución al personal administrativo, gerencial o de supervisión, para demostrar que su solución es la mejor. Hay ocasiones en que la resistencia que requiere algún elemento en el sistema es una consideración de diseño muy importante, por ejemplo cuando esta resistencia significa un factor que va a determinar la geometría y dimensiones del sistema. Otras características a tener en cuenta son: la funcionalidad, deflexión, desgaste, corrosión, costo, fricción, peso, vida, ruido, forma, tamaño, propiedades térmicas, etc.
HERRAMIENTAS Y RECURSOS DE DISEÑO Hoy en día, los ingenieros cuentan con una gran variedad de herramientas y recursos que le sirven de apoyo para realizar un diseño mecánico. Dentro de las herramientas, se encuentran software que le permiten diseñar, analizar y simular los componentes mecánicos; por la parte de recursos estos van desde libros, diccionarios, revistas, monografías, patentes, folletos, catálogos de fabricantes, internet, etc. Una herramienta bastante importante es el diseño asistido por computadora (CAD), ya que le permite al diseñador desarrollar diseños en 3-D. otras ventajas de esta tecnología es que permite detectar propiedades como la masa, el ce ntro de gravedad y los momentos de inercia de la masa. Algunos software que brindan esas herramientas son: Aries, AutoCAD, CadKey, Solid Works y ProEngineer, entre otros más. También hay otras herramientas que le ayudan al diseñador, como programas para el análisis del elemento finito, simuladores de fuerzas dinámicas y movimiento en mecanismos, vibraciones, hojas de cálculo, solucionadores matemáticos, etc.
RESPONSABILIDADES PROFESIONALES DEL INGENIERO DE DISEÑO La principal tarea del diseñador es solucionar el problema del usuario de manera competente, responsable, ética y profesional. Algunos pasos para poder realizar esta tarea son:
El punto más importante en el proceso de diseño es comprender bien cuál es el problema. Después de que se tiene comprendida la problemática, hay que identificar la información relevante Luego hay que identificar los datos desconocidos y formular una estrategia para encontrarlos. Puede ser necesario utilizar herramientas como diagramas de cuerpo libre, tablas de propiedades de los materiales, libros, gráficas y herramientas computacionales como las descritas anteriormente. Se debe analizar el problema y hacer referencia de todas las herramientas consultadas, para darle credibilidad a los resultados obtenidos. Después se debe evaluar cada paso de la solución.
Por último se presenta la solución. Es en este punto donde se debe de hacer uso de las habilidades de comunicación con que se cuenta.
Nota: Algunos de los pasos anteriores de pueden repetir más de una vez.
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. Un código es un conjunto de especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y construir algo. Su propósito general consiste en lograr un grado específico de seguridad, eficiencia y desempeño o calidad. Algunas organizaciones de interés para los ingenieros mecánicos son: American National Standards Institute (ANSI), American Iron and Steel Institute (AISI), American Society of Mechanical Engineers (ASME), International Standards Organization (ISO), entre otras más.
ECONOMÍA La utilización de tamaños estándar o corrientes es el principio fundamental de la reducción de costos, ya que las partes que se hacen y se venden en grandes cantidades cuestan menos que las de tamaños poco comunes. Las piezas en las que se requieren pequeñas tolerancias se realizan con procesos de maquinado finos, por lo que se aumentan los costos, pero por el contrario, las partes que tiene tolerancias amplias a menudo se producen por medio de máquinas con velocidades de producción altas, por lo que los costos son significativamente menores. Algunas veces cuando se compara el costo de dos o más enfoques de diseño, se llega a un punto en el que los costos son iguales, el cual es conocido como punto de equilibrio.
SEGURIDAD Y RESPONSABILIDAD LEGAL DEL PRODUCTO Debido a que el fabricante de un artículo es responsable de daños o perjuicios que pueda provocar su este, debido a algún defecto que pueda presentar, es necesario aplicar una buena ingeniería del análisis y el diseño, el control de calidad y los procedimientos exhaustivos de pruebas para evitar caer en problemas legales.
RESISTENCIAS Y ESFUERZOS La resistencia es una propiedad de un material o de un elemento mecánico. Esta depende de la elección, el tratamiento y el procesamiento del material. Procesos tales como el trabajo en metales y tratamiento térmico, como el forjado, el laminado y el formado en frio, causan una variación en la resistencia del material. La resistencia de un materia es denotada como S, S x es una resistencia a cortante, Sy una resistencia a la fluencia y Su una resistencia última. El esfuerzo es una propiedad de estado en un punto específico dentro de un cuerpo, la cual es una función de la carga, la geometría, la temperatura y el proceso de manufactura. Para los esfuerzos normales se utiliza la letra σ y para el esfuerzo cortante la letra τ.
INCERTIDUMBRE Ejemplo de incertidumbres referentes al esfuerzo y la resistencia:
La composición del material y el efecto de las variaciones en las propiedades. Las variaciones de las propiedades de un punto a otro dentro de una barra de material. El efecto de ensamble, como soldaduras y ajustes por contracción. El efecto del tratamiento térmico. La influencia del tiempo sobre la resistencia y geometría. El efecto de la corrosión.
Los ingenieros deben adecuarse a la incertidumbre, pues siempre acompaña al cambio. El ingeniero puede utilizar herramientas matemáticas como métodos determinísticos y e stocásticos. El método determinístico establece un factor de diseño, basado en:
En ciertos casos el parámetro puede ser la carga, el esfuerzo, la deflexión, etc. Si el parámetro es la carga, entonces la carga máxima permisible puede encontrarse con
FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD El factor de diseño está definido por , entre más pequeño sea este factor de diseño mejores resultados se obtendrán. Otro factor, es el factor de seguridad, el cual a diferencia del factor de diseño solo difiere en su valor numérico, ya que est e esta redondeado.
CONFIABILIDAD La confiabilidad es la medida estadística de la probabilidad para que un elemento mecánico no falle en el servicio. Está definida por R y se encuentra dentro de valores de 0 a 1; es decir una confiabilidad de R=0.92 significa que el sistema tiene una probabilidad del 92 por cie nto de realizar una función adecuada sin falla.
DIMENSIÓN Y TOLERANCIAS Es necesario conocer los siguientes términos para poder dimensionar:
Tamaño nominal: Es el tamaño para designar un elemento. Límites: Dimensiones máximas y mínimas establecidas. Tolerancia: Diferencia entre los dos límites. Holgura: Se refiere al acoplamiento de partes cilíndricas como u perno y un agujero. El diámetro del elemento interno es menor que el del elemento externo.
Interferencia: Es lo opuesto a la holgura, donde el elemento interno es mayor que el externo. Margen: Holgura mínima o interferencia máxima establecida para partes ensambladas.
UNIDADES, CÁLCULOS Y CIFRAS SIGNIFICATIVAS Al momento de realizar cálculos es necesario utilizar las unidades correspondientes al sistema de unidades que se está empleando para ser congruente. Además, no hay que usar menos de tres cifras significativas en los cálculos de ingeniería, ya que la exactitud va a depender del número de cifras significativas que se utilicen.
ESPECIFICACIONES DEL ESTUDIO DEL CASO TRANSMISIÓN DE POTENCIA Muchas aplicaciones industriales requieren que la maquinaria sea alimentada de potencia mediante maquinas o motores eléctricos. Cuando la aplicación requiere que se entregue potencia a una menor velocidad que la que suministra el motor, se utiliza un reductor de velocidad, el cual debe transmitir la potencia desde el motor a la aplicación con tan poca energía como resulte practico, mientras se reduce la velocidad y se incrementa el par de torsión.
Requisitos de diseño En algunas ocasiones, como por ejemplo cuando hay exigencias generalizadas como poco mantenimiento al sistema, costo competitivo, etc. es necesario reducir la lista de requisitos del cliente hasta llegar a un conjunto de especificaciones del producto que puedan m edirse. Esta tarea se puede lograr mediante el trabajo de un equipo de ingeniería, mercadotecnia, administración y los clientes. Se pueden utilizar herramientas para priorizar los requisitos, determinar las mediciones pertinentes que deben lograrse y establecer el valor de los objetos de cada me dición.
