DISEÑO DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (IM823)
INTRODUCCIÓN
Profesor:
Giovanni Torres Charry
Diseño de ingeniería
Que es diseño en ingeniería?
El diseño es el proceso de idear un sistema, componente o proceso para
satisfacer las necesidades deseadas; que sea seguro, eficiente, confiable,
económico y práctico de fabricar o implementar.
Proceso de toma de decisiones (a menudo iterativo), en el que se aplican las
ciencias básicas y las matemáticas y las ciencias de la ingeniería para convertir
los recursos de manera óptima para cumplir con un objetivo establecido.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Diseño de ingeniería
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Diseño de ingeniería
Fuente: Material for the book, Machine Elements in Mechanical Design Sixth Edition by Robert L. Mott
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Proceso iterativo de toma de decisiones que tiene como objetivo la creación y
optimización de un sistema o dispositivo de ingeniería mecánica nuevo o mejorado
para la satisfacción de una necesidad o deseo humano, con el debido respeto por la
conservación de recursos y impacto medioambiental.
Fuente: Material for the book, Machine Elements in Mechanical Design Sixth Edition by Robert
L. Mott
Los objetivos clave de toda actividad de diseño mecánico son (1) la selección del
mejor material posible y (2) la determinación de la mejor geometría posible para cada
pieza.
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Diseño de Selección. El diseño de selección implica elegir un elemento (o
tal vez más) de una lista de elementos similares; hacemos este tipo de
diseño cada vez que elegimos un artículo de un catálogo.
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Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Diseño Paramétrico. El diseño paramétrico implica encontrar valores para
las características (parámetros) que describen el objeto estudiado.
Supongamos que queremos diseñar un tanque de almacenamiento cilíndrico
que debe contener 4 m3 de líquido. Este tanque está descrito por los
parámetros r, su radio, y l, su longitud y su volumen están determinado por
𝑉 = 𝜋 · 𝑟2. 𝑙
Diseño original. Cada vez que el problema de diseño requiere el desarrollo
de un proceso, ensamblaje o componente que no existía anteriormente,
requiere un diseño original. Aunque la mayoría de los problemas de
selección, configuración y paramétricos están representados por ecuaciones,
reglas o algún otro esquema lógico, los problemas de diseño originales
generalmente no se pueden reducir a ningún algoritmo. Cada uno
representa algo nuevo y único.
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Rediseño. La mayoría de los problemas de diseño resueltos en la industria
son para el rediseño de un producto existente, la modificación de un
producto existente para cumplir con nuevos requisitos. Estos pueden
requerir solo cambios de parámetros, o pueden requerir algo más extenso.
Muchos problemas de rediseño son rutinarios; el dominio del diseño se
entiende tan bien que el método utilizado se puede poner en un manual
como una serie de fórmulas o reglas.
Diseño de variantes. A veces, las empresas producirán una gran cantidad
de variantes como sus productos. Una variante es un producto
personalizado diseñado para satisfacer las necesidades del cliente.
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El diseño mecánico involucra casi todas las disciplinas de la ingeniería
mecánica.
• Competencia en matemáticas, estática, dinámica, mecánica de materiales,
cinemática y mecanismos para facilitar los análisis de carga, tensión y
resistencia; Se prefiere una técnica avanzada CAD / CAE (diseño o ingeniería
asistida por computadora) o FEM (método de elementos finitos).
• Familiarizado con los materiales de ingeniería y sus propiedades,
procesamiento de materiales, tratamientos térmicos y procesos de fabricación.
• Conocimientos de tribología, mecánica de fluidos, transferencia de calor,
tecnología eléctrica y de la información y controles.
• Creatividad, capacidad de resolución de problemas complejos y habilidades
de gestión de proyectos.
• Competencia en representación gráfica mediante bocetos, dibujos de
ingeniería, herramientas CAD y visualización 3D para convertir conceptos de
diseño mental en dibujos técnicos.
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• Habilidades de comunicación verbal y escrita y habilidades de presentación
para articular proyectos de diseño, describir restricciones y limitaciones y
presentar propuestas e informes técnicos;
• Capacidad de trabajo en equipo
responsabilidades sociales y éticas.
y
colaboración,
y
sentido
de
Proceso Iterativo
Primera iteración: selección de materiales potenciales y disposiciones geométricas
que proporcionarán resistencia y vida adecuadas para las cargas, el entorno y los
posibles modos de falla que gobiernan la aplicación. También se incluyen las
consideraciones preliminares de los métodos de fabricación. Por lo general, en
esta etapa se elige un factor de seguridad de diseño razonable para tener en cuenta
las incertidumbres.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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La segunda iteración: se establecen todas las dimensiones nominales y especificaciones
detalladas del material para satisfacer de manera segura los requisitos de rendimiento,
resistencia y vida útil.
En la tercera iteración se audita el diseño de la segunda iteración desde las
perspectivas de fabricación, ensamblaje, inspección, mantenimiento y costo.
Cuarta iteración: establecimiento cuidadoso de ajustes y tolerancias, modificaciones
resultantes de las auditorías de la tercera iteración y una verificación final del factor de
seguridad para asegurar que la resistencia y la vida sean adecuadas para la aplicación,
pero que no se desperdicien materiales y recursos.
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Cálculos de diseño – Carpeta de diseño
• Es importante registrar los cálculos de forma precisa, completa y ordenada.
• Es posible que deba explicar cómo se acercó al diseño, los datos que utilizó, las
suposiciones y los juicios que hizo.
• Un registro preciso de los cálculos de diseño es útil si es probable que se produzcan
cambios en el diseño.
• Es posible que se le solicite que comunique su diseño de forma escrita y gráfica.
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Consideraciones en el diseño de máquinas
Durante el proceso de diseño, se debe revisar el ciclo de vida total de un producto, desde
la ideación inicial, el diseño, la fabricación, el ensamblaje hasta el servicio y la
disposición final, y las situaciones que pueden ocurrir en la práctica durante la
fabricación, el transporte, el almacenamiento, la instalación, el servicio y el
mantenimiento. disposición.
Además del funcionamiento adecuado, se deben evitar fallas prematuras para garantizar
un funcionamiento seguro y confiable durante toda la vida útil del diseño. Las
consideraciones de seguridad tradicionales para un elemento incluyen resistencia,
deflexión y estabilidad; mientras que para la superficie de un elemento, los problemas
de seguridad son la fricción, el desgaste, el calor por fricción y la corrosión.
Los diseñadores deben anticipar posibles modos de falla en diversas condiciones de
operación e integrar la seguridad en el proceso de diseño siempre que sea posible. La
filosofía de diseño es primero tomar precauciones contra fallas, pero si la falla ocurre, el
diseño debe tener un remedio para prevenir un desastre catastrófico.
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Códigos de diseño y seguridad 1/3
Estándares y normas.
Numerosas sociedades y organizaciones de ingeniería publican estándares y códigos
para áreas específicas del diseño de ingeniería. La mayoría son meras
recomendaciones, pero algunas tienen fuerza de ley.
La adherencia a los códigos y estándares aplicables puede proporcionar una guía
basada en la experiencia para el diseñador en cuanto a lo que constituye una buena
práctica en ese campo, y asegura que el producto cumpla con los requisitos legales
aplicables.
Los estándares generalmente representan un nivel mínimo de aceptación por parte del
grupo que lo formula, y generalmente se consideran recomendaciones al usuario
sobre cómo realizar la tarea cubierta por el estándar. Los estándares son preparados,
compilados y distribuidos por ANSI, ISO y otras organizaciones similares
(gubernamentales y privadas).
El objetivo básico en el desarrollo de una norma es asegurar la intercambiabilidad,
compatibilidad y desempeño aceptable dentro de una empresa (norma de empresa),
dentro de un país (norma nacional) o entre muchos países cooperantes (norma
internacional).
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Códigos de diseño y seguridad 2/3
Los códigos suelen ser documentos legalmente vinculantes, compilados por una
agencia gubernamental, cuyo objetivo es proteger el bienestar general de sus electores
y prevenir daños a la propiedad, lesiones o pérdida de vidas.
Los objetivos de un código son los de evitar, eliminar o reducir peligros definibles.
Los códigos generalmente se consideran requisitos obligatorios que le dicen al
usuario qué hacer y cuándo hacerlo.
La responsabilidad de un diseñador incluye buscar todos los códigos y estándares
aplicables relacionados con su proyecto de diseño en particular. Quien no siga los
requisitos del código, puede ser acusado de negligencia profesional y puede estar
sujeto a litigio.
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Códigos de diseño y seguridad 3/3
La siguiente es una lista parcial de sociedades y organizaciones que han establecido
especificaciones para estándares y códigos de seguridad o diseño relacionados con la
industria mecánica
AA
AFBMA
AGMA
AIAA
AISC
AISI
ANSI
API
ASCE
ASLE
ASM
ASME
ASTM
AWS
NASA
NIST
IFI
ISO
SAE
SEM
SESA
SPE
CEN
DIN
CSA
Aluminum Association
Anti-Friction Bearing Manufacturing Association
American Gear Manufacturing Association
American Institute of Aeronautics and Astronautics
American Institute of Steel Construction
American Iron and Steel Institute
American National Standards Institute
American Petroleum Institute
American Society of Civil Engineers
American Society of Lubrication Engineers
American Society of Metals
American Society of Mechanical Engineers
American Society for Testing and Materials
American Welding Society
National Aeronautics and Space Administration
National Institute for Standards and Technology
Industrial Fasteners Institute
International Standards Organization
Society of Automotive Engineers
Society for Experimental Mechanics
Society for Experimental Stress Analysis
Society of Plastic Engineers
European Committee for Standardization
Deutsches Institut für Normung
Canadian Standards Association
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Consideraciones de diseño de elementos de máquina
El diseño de los elementos de la máquina debe garantizar un funcionamiento
eficiente y seguro, con una combinación adecuada de tamaño, forma y material
para soportar las cargas operativas durante la vida útil esperada a un costo
mínimo.
La seguridad y fiabilidad de los elementos individuales de la máquina
deciden la seguridad general y la esperanza de vida de una máquina. El
análisis, la predicción y la prevención de fallos forman la base del diseño de los
elementos de la máquina.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Consideraciones de diseño de elementos de máquina
Dado que el proceso de fabricación afecta las especificaciones finales de geometría
general, dimensiones, tolerancias o acabados superficiales, se deben especificar las
tolerancias adecuadas y los acabados superficiales aceptables en los planos de diseño
para facilitar la selección del proceso de fabricación.
Después del cálculo, los tamaños estándar cercanos a la dimensión mínima aceptable
generalmente se especifican para elementos estandarizados, como tornillos, chavetas
y rodamientos de contacto. A través de la selección de elementos estandarizados, se
logra uniformidad en la práctica y costos reducidos.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Pasos en el diseño de cada pieza individual
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1. Concebir una forma geométrica tentativa para la pieza.
2. Determine las fuerzas y los momentos locales de la pieza, basándose en el análisis de
fuerza global.
3. Identifique los probables modos de falla que gobiernan según la función de la pieza,
las fuerzas y momentos de la pieza, la forma de la pieza y el entorno operativo.
4. Seleccione un material provisional para la pieza que parezca más adecuada para la
aplicación.
5. Seleccione un proceso de fabricación tentativo que parezca ser el más adecuado para
la pieza y su material.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Pasos en el diseño de cada pieza individual
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7. Seleccione posibles secciones críticas y puntos críticos para un análisis detallado.
8. Seleccione
las
ecuaciones
apropiadas
de
la
mecánica
que
relacionen
adecuadamente las fuerzas o momentos con las tensiones o deflexiones y calcule
las tensiones o deflexiones en cada punto crítico considerado.
9. Determine las dimensiones de la pieza en cada punto crítico asegurándose de que la
tensión operativa siempre esté por debajo de la resistencia a la falla en cada uno
de estos puntos.
10. Revise la selección del material, la forma y las dimensiones de la pieza diseñada.
11. Genere un boceto o dibujo de la pieza diseñada.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Elementos de la máquina, subensambles
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No solo las piezas individuales deben diseñarse cuidadosamente para funcionar de
manera eficiente y segura durante la vida útil de diseño especificada sin fallas, sino
que las piezas deben agruparse de manera efectiva en subensambles.
Cada subensamble debe funcionar sin interferencias internas, debe permitir un fácil
desmontaje para el mantenimiento y la reparación, debe permitir una fácil inspección de
los puntos críticos sin un tiempo de inactividad extenso o peligro para los inspectores,
y debe interactuar de manera efectiva con otros subconjuntos para proporcionar la
mejor configuración de sistema integrado posible para cumplir con la función de toda
la máquina.
Siempre se requiere un marco o estructura de soporte en o sobre el cual se montan todos
los subconjuntos y sistemas de soporte. Al igual que en el caso del diseño adecuado
de subensambles, los marcos y las estructuras deben diseñarse para permitir un fácil
acceso para los procedimientos de inspección, mantenimiento y reparación de puntos
críticos, así como elementos para la seguridad del personal.
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Elementos de la máquina, subensambles
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Fuente: Material for the book, Machine Elements in Mechanical Design Sixth Edition by Robert L. Mott
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Factor de seguridad de diseño
Que es y para que sirve el factor de seguridad?
Las incertidumbres y variabilidades siempre existen en las predicciones de diseño.
• Las cargas son a menudo variables e inexactamente conocidas
• Las resistencias de los materiales son variables y, a veces, inexactamente conocidas
para ciertos modos de falla o ciertos estados de tensión
• Los modelos de cálculo incorporan suposiciones que pueden introducir
inexactitudes en la determinación de las dimensiones
• Otras incertidumbres pueden resultar de variaciones en la calidad de fabricación,
operación condiciones, procedimientos de inspección y prácticas de
mantenimiento.
Los ingenieros emplean un factor de seguridad para “asegurarse” contra las
incertidumbres. Este factor se utiliza para garantizar que la carga aplicada a un
miembro no exceda la carga más grande que puede soportar.
𝑛=
𝐹𝑎𝑖𝑙𝑢𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑎𝑑
𝐴𝑙𝑙𝑜𝑤𝑒𝑑 𝑙𝑜𝑎𝑑
𝑛=
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Modos de falla comunes en elementos de la máquina
Una falla mecánica se refiere a la incapacidad de una máquina o un elemento para
realizar su función prevista.
Los modos de falla mecánica comúnmente observados en la práctica industrial
incluyen deformación, fluencia, fractura, fatiga, picaduras y desconchado, desgaste, rayado,
excoriación y agarrotamiento, corrosión, rozamiento, fluencia, pandeo, etc.
• La deformación incluye la deformación elástica y plástica, refiriéndose a la
deformación recuperable e irrecuperable, respectivamente.
• La fractura puede ocurrir tanto en material frágil como dúctil debido a cargas
estáticas o fluctuantes.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Modos de falla comunes en elementos de la máquina
• Las fallas por fatiga superficial (picaduras o desconchados) suelen estar asociadas con la
superficie rodante en contacto.
• El desgaste es la eliminación gradual de partículas discretas de las superficies de
contacto deslizantes, lo que conduce a un cambio dimensional acumulativo en los
perfiles del elemento.
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Diseño, diseño, diseño
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Transmisiones mecánicas
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Diseño de transmisiones mecánicas
Las transmisiones mecánicas son dispositivos que se utilizan para transmitir potencia
mecánica a través de una cierta distancia, usualmente involucrando cambios en la
velocidad y el momento transmitido. Las transmisiones se ubican entre la fuente de
potencia y la parte de la máquina a operar.
Un accionamiento mecánico, a veces llamado transmisión de potencia, se usa
generalmente para transmitir potencia y movimiento de un elemento giratorio a otro.
Las transmisiones mecánicas incluyen transmisiones por correa, transmisiones por
cable, transmisiones por cadena, transmisiones por engranajes, transmisiones por
engranajes helicoidales, etc.
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Diseño de transmisiones mecánicas
Fuente de potencia
Transmisión mecánica
Sistema / máquina movida
Motor eléctrico
Máquina de combustión interna
Árboles
Poleas y correas
Ventilador, compresor
Trituradora, molino
Motor hidráulico
Estrellas y cadenas
Bomba
Turbina
Engranajes
Transportador
Máquina de vapor
Rodamientos
Elevador
Molino de viento
Acoples
Vehículo
Fuerza humana
Poleas y cables
Desfibrador
Fuerza animal
Elementos de sujeción y posicionamiento
Electrodoméstico…
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Diseño de transmisiones mecánicas
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Diseño de transmisiones mecánicas
Diseño de transmisiones mecánicas - Introducción
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Clasificación de las transmisiones mecánicas
Pueden clasificarse en términos generales como unidades de transmisión de potencia
flexibles y no flexibles o rígidas.
En una transmisión flexible, hay un elemento flexible intermedio, como una correa o
una cadena, entre los ejes impulsor e impulsado. El movimiento de rotación del eje
impulsor se convierte primero en movimiento de traslación de la correa o cadena y
luego se vuelve a convertir en el movimiento de rotación del eje impulsado.
En una transmisión rígida, como una transmisión por engranajes, el movimiento
giratorio del eje impulsor se convierte directamente en el movimiento giratorio del eje
impulsado por el contacto directo del piñón y el engranaje.
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Clasificación de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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Elementos de las transmisiones mecánicas
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BIBLIOGRAFÍA
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México 2011.
• Budynas, R.G. y Nisbett, J.K. Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley.
9ª ed. McGraw-Hill, México 2012.
• Mott, R.L. Diseño de Elementos de Máquinas. 4ª ed. Pearson - Prentice
Hall, 2006.
• Juvinall, R.C. Diseño de Elementos de Máquinas. 2ª ed. Limusa Wiley,
2017
• Catálogos de elementos de accionamientos de máquinas
• Artículos varios
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