UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO: ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA: INGENIERÍA MECATRÓNICA Diseño de elementos de máquinas CUESTIONARIO GUÍA I NOMBRE: Núñez Nidia Reyes Lizbeth Dias Lenin Medina Alejandro Cepeda Gabriel Tapia Miguel NRC: 6195 Mayo 2022– Agosto 2022 I. INTRODUCCIÓN El diseño mecánico requiere ser subdividido en varias tareas, primero abordar la naturaleza del diseño en general, obtener una gran información y gran abundancia de herramientas de diseño por computadora. Además, tener en cuenta la supervivencia de un componente mecánico se relaciona con el esfuerzo y la resistencia. Se debe tener en cuenta el factor de seguridad y factor de diseño, independientemente del enfoque que se le dé, la confiabilidad del diseño es importante y necesario. Dentro de los objetivos principales del diseño están el entregar un producto funcional, seguro, confiable, competitivo, útil, que se pueda fabricar y sobre todo comercializarse. De aquí el primero paso será el reconocimiento de la necesidad, la definición del problema, la síntesis, un análisis y optimización, finalizando con una evaluación para una correcta presentación del proyecto. Otra de las consideraciones que se deben tomar en cuenta es la resistencia del elemento, a partir de esta se puede determinar la geómetras y dimensiones. Otras de las que se deben tomar en cuenta son la funcionalidad, la resistencia a un esfuerzo, distorsión, los efectos de deflexión y rigidez, el desgaste que pueden sufrir lo materiales, la corrosión, la seguridad, que tan confiable es la estructura y la facilidad de manufactura, es decir, que tan fácil es fabricarlo. Además, el ingeniero debe conocer las normas y códigos del diseño, una norma es un conjunto de especificaciones o procesos establecidos a fin de lograr un uniformidad y cantidades específicas, es decir, el objetivo de una norma es colocar un limite al numero de variaciones que pueden surgir en un pieza, material o proceso. Mientras que el código son especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y construir algo, su propósito es lograr un grado especifico de seguridad, eficiencia y desempeño además de una buena calidad. II. OBJETIVOS Objetivo General Aprender sobre los fundamentos de diseños de elementos de máquinas mediante un estudio profundo de los diferentes esfuerzos aplicados en materiales, sus efectos y resultados. Objetivos Específicos • Identificar las bases del diseño de elementos de máquinas, mediante los métodos diseño, propiedades de los materiales y análisis de cargas. • Analizar los esfuerzos aplicados, esfuerzos principales y concentraciones de esfuerzos. • Analizar las teorías de fallas estáticas en materiales dúctiles y frágiles. • Analizar fatiga en materiales, sus esfuerzos y criterios de falla. III. ANTECEDENTES • Fundamentos del Diseño de Máquinas El diseño mecánico es un proceso complejo de varias fases interactivas que involucra áreas disciplinarias como estática, dinámica, mecánica de materiales, ciencias de materiales, mecánica de fluidos, etc. El diseñar posee como objetivo final obtener las dimensiones, la forma de los elementos de la máquina y seleccionar su correspondiente material y proceso de manufactura asegurando el correcto funcionamiento de la máquina. Para esto es necesario realizarse un análisis de esfuerzo y deformación. • Factor de seguridad (FS) En el diseño en ingeniería siempre se han presentado aspectos de incertidumbre que se abordan mediante el factor de diseño y el factor de seguridad. Generalmente el FS se expresa como la razón de dos cantidades con las mismas unidades. πΉπ = πππππππ‘πππ πππππππ ππ ππ’πππππ π ππ πππππ ππáπππ‘ππ πáπ₯πππ ππππππ ππππ πΉπ = πΆππππ ππ πππππππ ππ ππ’πππππ π ππ πππππ πΆππππ πáπ₯πππ ππππππ ππππ πΉπ = π ππ ππ π‘πππππ ππ πππππππ ππ ππ’πππóπ π ππ πππππ πΈπ ππ’πππ§π ππππππ ππππ = ππ¦ ππ’ππ π,π (1) En el factor de seguridad el tipo de material dúctil o frágil es un punto importante que considerar. Los materiales frágiles se diseñan contra la resistencia a la fluencia, mientras que los materiales dúctiles bajo cargas estáticas se diseñan contra la resistencia a la fluencia. En los materiales frágiles se considera el doble del factor de seguridad que se usaría para un material dúctil bajo las mismas condiciones. • Métodos de diseño Diseño por resistencia mecánica Se basa en la resistencia mecánica para determinar lo más exacto posible los esfuerzos admisibles que se generan en las piezas durante su funcionamiento y los componentes deben tener la suficiente resistencia para no fallar ante las cargas que estará sometido. Diseño por rigidez La falta de rigidez en los elementos de una máquina puede alterar su interacción con otros elementos pudiendo producir calentamiento o agarrotamiento en los cojinetes, producir corrosión por fricción en las uniones inmóviles y muchos otros efectos desfavorables. Diseño por daño superficial Se aplica en elementos de máquinas que sufren desgaste en su superficie como resultado de esfuerzos cíclicos entre las asperezas de dos superficies en contacto. • Esfuerzo El esfuerzo describe la intensidad de la fuerza interna sobre un área específica y posee componentes en las direcciones normal y tangencial. Esfuerzo Normal (π) Intensidad de la fuerza que actúa sobre un área A perpendicular a dicha fuerza y actúan de forma perpendicular a la cara de la sección transversal. π= π π΄ (2) Ilustración 1.Elemento con una fuerza axial Fuente: (Beer, Johnston, DeWolf, & Mazurek, 2017) Esfuerzo Cortante (π) La intensidad de la fuerza actúa sobre un área paralela a dicha fuerza, donde los esfuerzos actúan en dirección paralela a las caras del elemento. Es positivo en favor a las manecillas del reloj y negativo en sentido contrario a las manecillas del reloj. π= π π΄ (3) Ilustración 2.Elemento sometido a una fuerza cortante simple Fuente: (Beer, Johnston, DeWolf, & Mazurek, 2017) Esfuerzo de apoyo (ππ ) A lo largo de la superficie de contacto se genera un esfuerzo cuando un cuerpo está apoyado en otro se transfiere la carga. Donde el π΄π es el área proyectada de la superficie curva de soporte. π= π π΄π (4) Esfuerzo de contacto (ππ― ) Es cuando la carga se aplica sobre un área muy pequeña la fuerza se distribuye sobre un área relativamente grande. Esfuerzo térmico Los cambios s de temperatura generan cambios en la dimensión de un cuerpo. πΏπ = πΌβππΏπ (5) Esfuerzo cortante por torsión Se representa como el momento polar de inercia J del área de la sección transversal de la barra alrededor de su eje longitudinal. ππáπ₯ = ππ π½ (6) Esfuerzos normales por flexión Las vigas son consideradas los elementos estructurales más importantes y que normalmente soportan fuerzas cortantes V como momentos flectores M. ππ₯ = ± ππ¦ πΌ ( 7) Deformación Al aplicar a un cuerpo fuerza cambia de forma y tamaño, la deformación de un cuerpo también ocurre al cambio de temperatura que produce una expansión o contracción térmica. Si queremos describir la deformación de un cuerpo mediante cambios de longitud se utiliza la deformación unitaria normal (π) y la deformación unitaria cortante (πΎ). • Deformación unitaria normal (π) Cambio en la longitud dividido para su longitud original. Será positiva cuando se alarga y negativa si se contrae. π= • πΏ − πΏπ πΏπ (8) Deformación unitaria cortante (πΈ) Es el cambio del ángulo entre dos segmentos de línea y tiende a deformar el cuerpo en forma de romboide. πΎ= π −π 2 (9) Relación esfuerzo-deformación Mediante experimentos se determina la relación esfuerzo-deformación que permite conocer la resistencia del material. • Materiales dúctiles Capacidad de fluir a temperaturas normales Ilustración 3.Diagrama esfuerzo-deformación de un material dúctil Fuente: (DiagramaWeb, 2019) En la curva se puede identificar varias regiones como la región elástica, zona de cedencia, zona de endurecimiento por deformación, zona de estricción. • Materiales frágiles Estos materiales no presentan diferencias entre el esfuerzo ultimo y el esfuerzo de fractura. Ilustración 4.Diagrama esfuerzo-deformación de un material frágil Fuente: (DiagramaWeb, 2019) Ley de Hooke En el diagrama esfuerzo-deformación hay un aumento proporcional en la deformación unitaria. π = πΈπ (10) Relación de Poisson Una fuerza de compresión provoca que el cuerpo se contraiga en dirección de la fuerza y se expanda lateralmente. π= ππππ‘ππππ −π πππ₯πππ (11) Concentración de esfuerzos En una región determinada existe una discontinuidad en la sección transversal como agujeros, ranuras, cambios de sección se genera una concentración de esfuerzos. • Por carga axial: Se determina el valor máximo del esfuerzo normal (ππáπ₯ ) y donde el factor de concentración (ππ‘ ) se determina mediante tablas. ππáπ₯ = ππ‘ π • (12) Por torsión: El esfuerzo cortante máximo (ππáπ₯ )ocurre cerca de la discontinuidad y el factor de concentración (ππ‘ ) se determina mediante tablas. ππáπ₯ = ππ‘π π • (13) Por flexión: La distribución del esfuerzo normal y de la deformación se vuelven no lineales, donde el factor de concentración (ππ‘ ) se determina mediante tablas y el esfuerzo normal máximo (ππáπ₯ ) en cada discontinuidad es: ππáπ₯ = ππ‘π ππ (14) Esfuerzos principales Representan en el plano el esfuerzo normal máximo y mínimo en un punto del elemento. π1,2 ππ₯ + ππ¦ ππ₯ + ππ¦ 2 2 √ ) + ππ₯π¦ = ± ( 2 2 (15) El esfuerzo cortante máximo en el plano está orientado a 45° de la posición de un elemento que esta sometido a los esfuerzos principales. ππππ₯ = √( ππ₯ + ππ¦ 2 2 ) + ππ₯π¦ 2 En los planos de esfuerzo cortante máximo el esfuerzo normal promedio se calcula: (16) ππ₯π£π = ππ₯ + ππ¦ 2 (17) Para poder obtener los esfuerzos principales, el esfuerzo cortante máximo también podemos utilizar el circulo de Mohr que nos permite visualizarlos de forma clara. Análisis de diseño para esfuerzo estático Si una pieza es considerada como que fallo cuando se fractura o se separa en dos o más piezas, también si cede o se distorsiona y solo en material dúctil puede tener gran deformación antes de fracturarse, para esto tenemos teorías de fallas estáticas para materiales dúctiles y frágiles. Teorías para materiales dúctiles • Teoría del esfuerzo cortante máximo Establece que la falla ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo excede el esfuerzo cortante por fluencia en una muestra del mismo material. Ilustración 5.Teoría ECM de esfuerzo en plano Fuente: (SlideToDoc, 2018) ππππ₯ = • π1 − π2 ≥ ππ π¦ 2 π (π1 − π2 ) ≥ 2ππ π¦ (18) Teoría del esfuerzo cortante máximo (ED) La falla por fluencia ocurre cuando la energía de deformación total por unidad de volumen excede a la energía de deformación por unidad de volumen correspondiente a la resistencia a la fluencia en tensión o en compresión. Predice la fluencia cuando: π ’ ≥ ππ¦ (19) Esfuerzo de von Mises: π ’ = √π12 + π22 + π32 − π1 π2 − π2 π3 − π3 π1 (20) Ilustración 6.Teoría de energía de distorsión Fuente: (SlideToDoc, 2018) Ecuación que predice la falla: π’ ≥ ππ¦ πΉπ (21) Teorías para materiales frágiles • Teoría del esfuerzo normal máximo La falla ocurre cuando uno de los esfuerzos principales excede las resistencias ultimas de una muestra de un mismo material. Ecuaciones que predicen la falla: π π’π‘ π1 ≥ πΉπ • π π1 ≤ − π π’π‘ πΉπ (22) Teoría de Mohr modificada Predice la falla mediante las siguientes ecuaciones π1 ≥ ππ’π‘ πΉπ π1 ≥ π2 ≥ 0 (23) Ilustración 7.Teoría de Mohr modificada Fuente: (SlideToDoc, 2018) Análisis de la falla por fatiga Se basa en la regla de Miner de daño acumulado, que permite estimar la vida a fatiga a partir de una historia de tensiones o deformaciones. Para poder analizar la resistencia de materiales bajo la acción de cargas de fatiga, las muestras del material se someten a cargas repetidas o variables mientras se encuentra los ciclos o inversiones del esfuerzo hasta su destrucción. Ilustración 8.Fractura por fatiga Fuente: (SlideToDoc, 2018) El resultado nos muestra un diagrama Esfuerzo-Deformación o diagrama S-N, donde se define los valores de las tensiones alternas vs el número de ciclos requeridos para causar el fallo a una determinada razón de tensión, donde la ordenada representa la resistencia a la fatiga π π y en la abscisa el número de ciclos N. IV. CUESTIONARIO NO. 01 Unidad I: Fundamentos Del Diseño De Elementos De Máquinas 1. ¿Cuál es el concepto de esfuerzo en mecánica de materiales? El esfuerzo es la fuerza por unidad de área, o la intensidad de las fuerzas distribuidas sobre una sección dada, que describe la intensidad de la fuerza interna sobre un área específica y tiene componentes en la direcciones normal y tangencial, se encuentra relacionado con la resistencia del material del que está fabricado el cuerpo. 2. ¿Cuál es el concepto de carga en mecánica de materiales y en qué se clasifica? La carga mecánica se puede definir como la capacidad de un cuerpo para resistir una fuerza sin deformarse, se pueden clasificar como cargas estáticas, dinámicas y cíclica 3. Describa que es esfuerzo normal directo El esfuerzo normal es aquel que actúa de manera perpendicular, o normal, a la sección transversal o paralela al eje del elemento y se lo denota por la letra sigma (σ). Además, el esfuerzo es uniforme sobre el área de resistencia, es decir, es el mismo en un punto cualquiera de la sección transversal. Ilustración 9. Tipos de esfuerzo normal directo El esfuerzo normal puede encontrarse en dos situaciones ya sea en tracción o compresión, en la tracción la fuerza trata de estirar al eje siendo este esfuerzo positivo (+) mientras que el esfuerzo por compresión comprime la cara del eje siendo de carácter negativo (-). De forma simplificada al esfuerzo se lo denota por la siguiente ecuación: π= π π΄ 4. Describa que es esfuerzo cortante directo: Es un tipo de esfuerzo en el que la fuerza cortante aplicada se resiste uniformemente por el área de la parte que se corta, lo que produce un nivel uniforme de la fuerza cortante sobre el área, es también llamado esfuerzo de cizallamiento. 5. Describa que es esfuerzo cortante por torsión Este esfuerzo se da cuando sobre un miembro estructural se aplica un par de torsión, se general esfuerzo cortante y se crea una deflexión torsional, la cual produce un ángulo de torsión en un extremo de la flecha con respecto a otro. 6. Describa como se distribuye cada esfuerzo en la sección transversal del elemento sometido Los esfuerzos pueden ser cortantes o normales en la sección transversal de un elemento, los esfuerzos normales serán perpendiculares a la cara de la sección transversal mientras que los esfuerzos cortantes serán paralelos a la cara de la sección transversal del elemento analizado. 7. Indique cuando un elemento está sometido a esfuerzo de apoyo Cuando un cuerpo solido está apoyado en otro y le transfiere una carga, a lo largo de la superficie de contacto se genera una de esfuerzo de apoyo. Es una categoría especial de esfuerzo normal de compresión y mide la tendencia de la fuerza aplicada al aplastar el miembro sustentante. ππ = π π΄π El área de contacto π΄π es el área proyectada de la curva de la superficie curva de soporte y los pernos, pasadores y remaches generan esfuerzo de apoyo en los elementos que conectan. Ilustración 10. Esfuerzo de apoyo en perno 8. Mencione dos ejemplos de un elemento sometido a esfuerzo cortante • Un tornillo que sujeta dos elementos sometidos a fuerzas opuestas • Una viga que está sometida a una fuerza en un punto, en este caso estará también con momento flector 9. ¿Qué es y qué indica el coeficiente de Poisson? El coeficiente de Poisson es una cantidad adimensional, característica de cada material la cual relaciona la deformación lateral o transversal con la axial. Cuando un trozo material que se somete a una tensión, o a una compresión, sufre una deformación, el cociente entre la deformación transversal y la deformación longitudinal es precisamente el coeficiente de Poisson. El cual viene dado por la siguiente ecuación: π=− βπ‘ππππ π£πππ ππ βππ₯πππ Ilustración 11. Relación de deformación de coeficiente de Poisson En la siguiente tabla se presenta algunos valores típicos del coeficiente de Poisson de materiales conocidos: 10. ¿Qué es y qué indica el módulo de elasticidad? También conocido como módulo de Young, es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección que se aplica una fuerza. Es decir, es una medida de cómo un material o estructura se deformará cuando es sometido a tensión. Esta propiedad determina si un material en particular es adecuado para un propósito específico. 11. ¿Qué es y qué indica el módulo de rigidez? El módulo de rigidez, representado por πΊ, también conocido como módulo de corte, es el coeficiente de elasticidad para una fuerza de corte, se define como una relación entre el esfuerzo cortante y el desplazamiento por unidad de longitud de muestra, es decir, esfuerzo cortante. 12. ¿Qué es y para qué sirve el círculo de Mohr? Según (Richard Budynas & Keith Nisbett, 2012) “El círculo de Mohr completo representa el estado de esfuerzo en un punto único de una estructura. Cada punto sobre el círculo representa el estado de esfuerzo de una superficie específica que interseca al punto de la estructura. Cada par de puntos sobre el círculo separados por 180° representa el estado de esfuerzo de un elemento cuyas superficies están separadas por 90°.” El círculo de Mohr se utiliza para visualizar y como una ayuda para tener un enfoque semigráfico, los valores se calculan por medio de las propiedades del círculo. Ilustración 12 Círculo de Mohr (Richard Budynas & Keith Nisbett, 2012) 13. ¿Cuáles son las magnitudes en el eje de las abscisas y ordenadas en un diagrama de tracción? Según la figura 2 del diagrama de tracción en el eje de las abscisas encontramos la deformación unitaria que es adimensional y mientras que en el eje de las ordenadas tenemos la magnitud del esfuerzo, la misma que se mide en MPa o Psi. Ilustración 13.Diagrama de tracción 14. ¿Cuáles son las zonas en un diagrama de tracción? En la figura se muestran las zonas Ilustración 14. Zonas de tracción de los materiales Zona Elástica Hay una zona de la gráfica del ensayo de tracción en la que la relación entre la tensión y la deformación es lineal, es decir hay una proporción entre la tensión aplicada y la deformación producida en el material. Más allá de esta zona, la deformación deja de ser proporcional a la tensión. Límite de elasticidad o limite elástico Es la tensión más allá de la cual el material no recupera totalmente su forma original al ser descargado de la fuerza a la que se le somete, sino que queda con una deformación residual llamada de formación permanente. Punto de fluencia Es el punto del inicio de la zona de fluencia. Es aquel donde aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso puede disminuir la carga mientras dura la fluencia y aumentar de deformación como se ve en la gráfica. Zona Plástica En esta zona los alargamientos son permanentes. Deformación permanente. Fractura En este punto se rompe la probeta 15. ¿Cuáles son los resultados de un ensayo de tracción? Los resultados del ensayo de tracción son reflejados en un diagrama en el que los valores de deformación (alargamientos) producidos se representan en el eje de abscisas, y las tensiones de tracción aplicadas en el eje de ordenadas. Algunos de los datos obtenidos son: el límite de elasticidad, la resistencia a la tracción, o el alargamiento producido. Ilustración 15. Diagrama de ensayo por tracción 16. ¿Qué sucede con los elementos cuando están sometidos a esfuerzos? Los elementos pueden fallar por tracción, compresión, cizallamiento o cortadura, flexión, torsión. 17. ¿Cuál es la definición de resistencia definitiva a la tensión? También conocida como la resistencia máxima a la tensión, es la máxima resistencia a la tensión que tiene un metal y típicamente se encuentra después de que la deformación plástica ha comenzado a ocurrir. 18. Defina qué es la dureza en un material e indique dos métodos para determinarla. La dureza de un material se puede definir como la resistencia que este opondrá a la deformación plástica por rayado o por penetración, para determinar la dureza de un material se utilizan diferentes ensayos. • Ensayo de dureza Martens Según (Eulogio Santos et al., s. f.) “El esclerómetro Martens es el primer aparato que se utilizó para ensayar la dureza de los cuerpos. Se determina en función de la resistencia que oponen a ser rayados por un diamante de forma piramidal con un ángulo en el vértice de 90°.” La cifra de dureza Martens expresa la carga en gramos que al aplicarse en el diamante genera una raya de 10 micras. • Ensayo de Dureza Brinell Propuesta por la asociación internacional para el ensayo de materiales, consiste en aplicar y comprimir progresivamente sobre una superficie plana y lisa una bola de acero muy duro para que se produzca una impresión o hueco en forma de casquete. Ilustración 16 Ensayo Brinell (Eulogio Santos et al., s. f.) • Ensayo de dureza Rockwell Este ensayo se basa en la medición de la profundidad de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada, la dureza rockwell se mide en unidades convencionales y es igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. • Ensayo Vickers Se emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de base cuadrada, este perforador se aplica perpendicularmente a la superficie donde se desea medir la dureza, se aplica una carga P y posteriormente se mide la impresión que queda sobre el material a medir. Mediante el uso de tablas se determina la dureza Vickers, definida como la relación entre la carga aplicada y el área de la superficie lateral de impresión. 19. Defina la falla de un material por fatiga y enliste sus causas Varios elementos de máquinas como ejes, cigüeñal, bielas, etc, están sometidos a cargas variables y el comportamiento del material bajo este tipo de carga es diferente que bajo cargas estáticas. Estos esfuerzos variables tienden a producir fractura o falla total del elemento. Este fenómeno se lo conoce como Fatiga que produce grietas de fractura que se inicia en una discontinuidad del material. Ilustración 17.Fases de desarrollo de la falla por fatiga Los elementos de la maquina producen esfuerzos cíclicos que son: • Esfuerzo completamente invertido • Esfuerzo repetido • Esfuerzo fluctuante La falla por fatiga es similar a la fractura frágil estática, ya que las superficies de la fractura son planas y perpendiculares al eje del esfuerzo, pero las características de la fractura de falla por fatiga son diferentes a la fractura frágil y surge a partir de tres fases: 1. Iniciación 2. Propagación 3. Rotura Causas: 1. Ambientes corrosivos 2. Ciclos de temperaturas 3. Ciclos de alta frecuencia 4. Dirección de la rotación 5. Temperaturas elevadas 20. Enumere los criterios de falla y sus características Criterios de falla a carga estática Para materiales dúctiles • Esfuerzo cortante máximo, considera zonas según el signo de los esfuerzos y para cada zona existe una manera de hallar el FS • Energía de distorsión, es el criterio de diseño a usarse cuando no se especifica, se usan los esfuerzos principales. • Mohr coulomb dúctil Para materiales frágiles • Esfuerzo normal máximo • Mohr Coulomb frágil • Mohr modificada, criterio a usar cuando no se especifica 21. ¿Cuáles son los factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga? Los factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga vienen dados por la ecuación (Ecuación de Marín) que define el límite de resistencia a la fatiga de un elemento de máquina real el cual es: ππ = ππ ⋅ ππ ⋅ ππ ⋅ ππ ⋅ ππ ⋅ ππ ππ : es el factor de superficie ππ : es el factor de tamaño ππ : es el factor de carga ππ : es el factor de temperatura ππ : es el factor de confiabilidad ππ : es el factor de efectos diversos 22. ¿Cuál de los tipos de relación esfuerzo-deformación describe mejor el comportamiento de los materiales frágiles? El diagramade esfuerzos vs deformación unitaria, en la cual se enuncia que la resistencia última o resistencia a la tensión comparte el esfuerzo máximo y el punto de fractura pues no todos los materiales tienen un punto de fluencia obvio, en especial los materiales frágiles, de igual manera se indica que los materiales frágiles se fracturan mientras el trazo de esfuerzo-deformación aún se está elevando. Ilustración 18 Diagrama Esfuerzo-Deformación 23. Analice: Por lo general la resistencia a la cortante de un metal es mayor o menor que su resistencia a la tensión. Si ponemos a consideración, lo visto en las tablas de los apéndices, se puede ver que el módulo de elasticidad π, es mucho mayor que el modulo de rigidez πΊ, y recordando que cada uno de los módulos representa a un tipo de resistencia tensión y cortante, respectivamente, se concluye que por lo general resistencia a tensión es mayor que la resistencia a cortante. 24. Seleccione un componente mecánico (engranes de rodillo, resortes, etc.), ingrese a internet y, reporte la información que obtenga de cinco fabricantes o proveedores Ilustración 19 Rodamientos FERSA Ilustración 20 Rodamientos TCM Ilustración 21 Rodamientos NKS Ilustración 22 Rodamientos BEG Ilustración 23 Rodamientos PSYZC 25. Empleando la ecuación que describe el módulo de rigidez para un material isotrópico, homogéneo. Calcule la relación de Poisson para el acero, aluminio, cobre Fórmula de módulo de rigidez Fórmula de relación de Poisson ACERO E=207.0 GPa G=79.3 GPa πΈ = 2πΊ(1 − π£) πΈ π£ = 2πΊ − 1 (1) (2) π£= π£= πΈ −1 2πΊ 207.0 πΊππ −1 2(79.3 πΊππ) π£ =0.3051 ALUMINIO E=71.7 GPa G=26.9 GPa π£= π£= πΈ −1 2πΊ 71.7 πΊππ −1 2(26.9 πΊππ) π£ =0.3332 COBRE E=119.0 GPa G=44.7 GPa π£= π£= πΈ −1 2πΊ 119.0 πΊππ −1 2(44.7 πΊππ) π£ =0.331 26. Utilizando un software para mecánica de materiales obtenga el diagrama de cargas y esfuerzo en una viga Usando el software MDsolids se inserta la viga sometida a carga puntual y a una carga distribuida, se observan los diagramas de esfuerzo cortante y momento Flector Ilustración 24 Desarrollo ejercicio 26 27. Utilizando un software CAE realice el diseño de un elemento sometido a esfuerzos combinados. Para el siguiente ejercicio se tiene una barra circular de acero AISI 1020 cómo se muestra a continuación la cual está sometida a esfuerzos combinados y se pide calcular el factor de seguridad (FS) de la pieza utilizando el análisis de Von Mises. Para el desarrollo del ejercicio se utilizará el software de ANSYS. 1. Se traza el eje de acuerdo a las dimensiones establecidas Ilustración 25 Desarrollo ejercicio 27.a 2. Se traza el mallado del eje haciendo que la malla se adapte lo mejor posible a la superficie de la pieza Ilustración 26 Desarrollo ejercicio 27.b 3. Se aplican las fuerzas respectivas y el momento además de fijar una de las caras para luego realizar los cálculos de la simulación Ilustración 27 Desarrollo ejercicio 27.c 4. Vemos donde se encuentra el esfuerzo máximo el cual nos indica que tiene un valor de 70.936 MPa. Ilustración 28 Desarrollo ejercicio 27.d 5. Encontramos el factor de seguridad FS el cual nos da un valor de 3.52 Ilustración 29 Desarrollo ejercicio 27.e 28. Obtenga la ecuación de la deflexión de la viga empleando funciones de singularidad en 3 ejercicios del capítulo 4 del libro Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. 1) El eje escalonado de acero que muestra en la siguiente figura esta montado en cojinetes en A y F. Una polea esta centrada en C, donde se aplica una fuerza radial de 600lbf. Usando funciones de singularidad, evalué los desplazamientos de eje en incrementos de ½ pulgada. Ilustración 29 Ejercicio propuesto de Shigley π 1 = 360πππ π 2 = 240πππ Función de singularidad de la ecuación de momentos: π = 360π₯ − 600(π₯ − 8) Cálculo de las áreas πΌπ΅πΆ = π (1.5)4 = 0.240 ππ’ππ4 64 πΌπ·πΈ = π (1.75)4 = 0.46 ππ’ππ4 64 π 2760 πππ ( ) =( ) = 11106 πΌ π 0.248 ππ’ππ3 π 2760 πππ ( ) =( ) = 5994.8 πΌ π 0.46 ππ’ππ3 π β ( ) = 5994 − 11106 = −5111.8 πππ/ππ’ππ3 πΌ Las pendientes son: πππ = 360 − 600 = −965.8 πππ/ππ’ππ4 0.248 πππ = −5994 − 8 = −521.3 πππ/ππ’ππ4 11.5 βπ = −521.3 − (−965.8) = 444.5 πππ/ππ’ππ4 π = 1448.7π₯ − 2414.5(π₯ − 8) − 5111.8 + 444.5(π − 8.5) πΌ Realizando la integral se obtiene: πΈ ππ¦ = 724.35π₯ 2 − 1207.3(π₯ − 8)2 − 5111.8(π₯ − 8.5) + 222.3(π₯ − 8.5)2 + πΆ1 ππ₯ Integrando nuevamente: πΈπ¦ = 241.5π₯ 3 − 402(π₯ − 8)3 − 2555.9(π₯ − 8.5)2 + 74(π₯ − 8.5)3 + πΆ1π₯ + πΆ2 2) Considere la viga de la siguiente figura, simplemente apoyada con una carga concentrada F que no está en el centro. Desarrolle las ecuaciones de deflexión usando funciones de singularidad. Ilustración 30 Ejercicio propuesto de Shigley π = π 1 (π₯ )−1 − πΉ (π₯ − π)−1 + π 2 (π₯ − π )−1 Se Integra la ecuación dos veces: π = π 1 (π₯ )0 − πΉ (π₯ − π)0 + π 2 (π₯ − π )0 π = π 1 (π₯ )1 − πΉ (π₯ − π)1 + π 2 (π₯ − π )1 π 1 = π= πΈππ¦ = ππ π πΉπ π πΉπ πΉπ (π₯ )1 − πΉ (π₯ − π)1 + (π₯ − π )2 + π1 π π πΉπ πΉ (π₯ )2 − πΉ (π₯ − π)3 + π (π₯ − π )3 + π1π₯ + π2 π π π¦=0 π₯=0 0= π 2 = ππ π₯ = 1 π2 = 0 πΉπ 3 πΉ ππ 2 πΉπ (π‘) − (π − π)3 + π1 = (π ) − (π)3 + π1π 6π 6 6 6 π1 = − Reemplazando los valores de π1 y π2 πΉπ 2 (π − π 2 ) 6π πΉπ [ππ₯ (π₯ 2 π2 − π 2 ) − π (π₯ − π)3 ] 6πΈ1π π¦= 2) determine la ecuación de deflexión de la viga simplemente apoyada con la distribución de carga que se muestra en la figura. Ilustración 31 Ejercicio propuesto de Shigley π = π 1 (π₯ )−1 − π€(π₯ )0 + π€(π₯ − π)0 + π 2 (π₯ − π )−1 π€ (π₯ − π)0 ππππ πππ πππ‘ππ£ππ ππ πππππ π’πππππππ π π πππ‘ππππ: π = π 1 (π₯ )0 − π€(π₯ )1 + π€ (π₯ − π)1 + π 2 (π₯ − π )0 π = π 1 (π₯ )1 − π€(π₯ )2 + π€(π₯ − π)2 + π 2 (π₯ − π )1 π = π 1 π₯ − πΈπ πΈππ¦ = π€ 2 π€ π₯ + (π₯ − π ) 2 2 2 ππ¦ π 1 2 π€ 3 π€ = π₯ − π₯ + (π₯ − π)3 + πΆ1 ππ₯ 2 6 6 π 1 3 π€ 4 π€ π₯ − π₯ + (π₯ − π)4 + πΆ1π₯ + πΆ2 6 24 24 πΈπ£πππ’ππππ ππ π¦ = 0 π₯ = 0 π₯ = π πΆ2 = 0 0= π 1 3 π€ 4 π€ π − π + (π − π)4 + πΆ1π 6 24 24 π πππππππ§ππππ πππ π£ππππππ πΆ1 π¦ πΆ2 πΈππ¦ = π¦= π 1 π€ π€ π€ (π − π ) 4 π₯ (π₯ 2 − π 2 ) − π₯ (π₯ 3 − π 3 ) − π₯ (π − π ) 4 + 6 24 24π 24 π€ [2ππ₯ (2π − π)(π₯ 2 − π 2 ) − π₯π (π₯ 3 − π 3 ) − π₯ (π − π)4 + π(π₯ − π)4 ] 24πΈπΌπ 29. Realice los ejercicios del tema esfuerzos combinados del libro Diseño de máquinas un enfoque integrado de Norton. • Ejercicio 2.3. Para el ensamble del brazo del pedal de la bicicleta de la figura P2-1 con una fuerza de 1500 π aplicada por el conductor al pedal, determine el esfuerzo principal máximo en el brazo del pedal, si su sección transversal tiene 15 ππ de diámetro. El pedal está sujeto al brazo del pedal con un tornillo de cuerda de 12 ππ. ¿Cuál es el esfuerzo en el tornillo del pedal? Figura 32. Diagrama de cuerpo libre del ejercicio 2.3 Fuente: Recurso Propio π1 = πΉ ∗ π π1 = 1500 π ∗ 0.06 π = 90 ππ ∑ πΉπ¦ = 0 π΄π¦ − πΉ = 0 π΄π¦ = 1500 π ∑ ππ΄ = 0 −π + πΉ (0.17 π) = 0 π = 255 ππ πππ΄π = 255 ππ Figura 1. Ejercicio Fuente: (Norton, 2011) 2.3. Figura 23. Diagrama de esfuerzo cortante y momento flector del ejercicio 2.3. Fuente: Recurso Propio • • Ejercicio 2.34. Para el soporte mostrado en la figura P2-14 y los datos de la(s) fila(s) asignada(s) en la tabla P2-3, determine la deflexión de la carga πΉ. De la tabla π2−3, para los problemas 2.33 a 2.54, se obtuvo que: π = 100 π π = 400 π π‘ = 10 π β = 20 π πΉ = 50 π ππ· = 20 π Figura 34. Ejercicio 2.34 Fuente: (Norton, 2011) πΌπ· = 14 π βββ = ππ₯πΉ π΄ π = (105π + 10π − 400π ) π πΉ = −50 π π βββ = (105π + 10π − 400π )π₯ (−50 π) π΄ βπ΄ ββ = (2000 π + 5250π ) ππ π π4 π πΌ= = (104 − 74 ) = 5968.24 π4 4 4 π 4 π΄ = (ππ − ππΌ4 ) = 160.22 π2 4 π½ = 2 ∗ πΌ = 11936.48 π4 Para el punto A ππ΄ = − ππ§ ∗ πΆ 5250 π₯ 10 =− = −8.796 πππ πΌπ§ 5968.24 Para el punto B ππ΅ = 0 πππ 30. Resuelva 3 ejercicios de esfuerzo variable del capítulo 6 del libro Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. Ejercicio 6.5 Una probeta de ensayos de una viga giratoria de acero tiene una resistencia máxima de 230 Kpsi. Estime la resistencia a la fatiga correspondiente a una vida de 150 K ciclos de esfuerzo invertido. Se considera el ππ’π‘ = 230 πππ π > 200 πππ π πππ ππ π‘πππ‘π ππ = 100πππ π Con ππ’π‘ = 230 πππ π → π = 0.76 (π ∗ ππ’π‘ )2 π= ππ (0.76 ∗ 270)2 π= 100 π = 305.55 πππ π 1 π ∗ ππ’π‘ ) π = − log ( 3 ππ 1 0.76 ∗ 230 ) π = − log ( 3 100 π = −0.081 Finalmente: ππ = π ∗ π π ππ = 305.55 ∗ (150 ∗ 103 )−0.081 ππ = 116.58 πππ π Ejercicio 6.11 Se consideran dos clases de acero para la manufactura por forja de dos bielas. Una es acero AISI 4340 Cr-Mo-Ni, que se trata térmicamente hasta una resistencia de tensión de 260 kpsi. La otra es un acero al carbono simple AISI 1040 con una Sut obtenible de 113 kpsi. Si cada biela debe tener un tamaño que dé un diámetro equivalente de de 0.75 pulg, ¿existe alguna ventaja en cuanto a la fatiga si se utiliza acero aleado para esta aplicación? Para AISI 4340 ππ = 100 πππ π π = 39.9 ; π = −0.995 Tabla 6-2 ππ = 39.9(260)−0.995 = 0.158 0.75 −0.107 ) ππ = ( = 0.907 0.3 ππ = 100 ∗ 0.158 ∗ 0.907 = 14.3 πππ π Ahora para AISI 1040 ππ ′ = 0.5 ∗ 113 = 56.5 πππ π ππ = 39.9(113)−0.995 = 0.362 0.75 −0.107 ) ππ = ( = 0.907 0.3 ππ = 0.362 ∗ 0.907 ∗ 56.5 = 18.6 πππ π Entonces el acero AISI 1040 será más resistente que el acero AISI 4340. Ejercicio 6.20 Una barra de acero tiene las propiedades: Se=40psi, Sy=60kpsi y Sut=80 kpsi. La barra está sometida a un esfuerzo de tensión de 15 kpsi y un esfuerzo de flexión alternante de 25 kpsi. Encuentre el factor de seguridad que protege contra una falla estática y el factor de seguridad que protege contra una falla por fática o la vida esperada de la parte. Para el análisis aplicar: a) Criterio de Goodman modificado b) Criterio de Gerber c) Criterio de ASME elíptico Datos: ππ = 40 πππ π ; ππ¦ = 60 πππ π ; ππ’π‘ = 80 πππ π ππ = 15 + 15 = 15 πππ π ; 2 ππ = | 15 − 15 15 + 15 | = 0 ; ππ = | | = 15 πππ π 2 2 ππ = 15 − 15 =0 2 ′ ππ = √152 + 3(0)2 = 15 πππ π ππ′ = √02 + 3(15)2 = 25.9 πππ π ′ ππππ₯ = √(0 + 15)2 + 3(15 + 0)2 = 30 πππ π πΉπ = ππ¦ 60 = =2 ππππ₯ 30 a) Por Goodman Modificado 25.9 15 1 + = 40 80 πΉπ πΉπ = 1.195 b) Por Gerber 1 80 2 25.98 2 ∗ 15 ∗ 40 2 ) (1 + √1 + ( ) ) πΉπ = ( ) ( 2 15 40 80 ∗ 25.9 πΉπ = 1.429 c) Por ASME elíptica 1 25.9 2 15 2 ) +( ) =( πΉπ 40 60 πΉπ = 1.43 V. • RECOMENDACIONES Es necesario reconocer que fuerzas y en que puntos se aplican, a su vez que tanto daño pueden generar en el sistema, de esa manera será más fácil identificar los puntos críticos y en los cuales los esfuerzos generaran más daño. • El realizar buenos diagramas de fuerzas cortantes, torque, y momentos flectores ayudan a poder realizar un análisis mas eficiente, teniendo en cuenta que de estos diagramas se desglosan las fuerzas máximas y el reconocer en que puntos son los críticos. • Para una facilidad en los cálculos se puede partir con un factor de seguridad 1, o diámetros o medidas de 1, puesto que esta medida permitirá realizar más rápido los cálculos, y se puede tener una vista general de si se debe aumentar o disminuir, la medida a encontrar. VI. • CONCLUSIONES Al momento de escoger diámetros que conlleven a cumplir con un factor de seguridad, se encontrar casos en los que el factor es demasiado grande, si bien este ayuda a una mayor seguridad, existen exageraciones que lo único que llevan es a un gasto de material al momento de emplearlo. • La resistencia a la fluencia, resistencia ultima, resistencia a la fatiga son resistencias especificas de los materiales, existen tablas que especifican sus valores, a la vez que también dependerá de si son extruídos en frio o caliente. • El hierro fundido absorbe vibraciones, es más resistente al impacto mientras que el carbono es más duro pero frágil y difícil de mecanizar y soldar. El titanio se oxida, los radiadores de aluminio son buenos conductores de calor y electricidad, pero ligeros. Actualmente se aplican materiales epóxidos, compuestos y amigable con el ambiente. VII. REFERENCIAS Beer, F., Johnston, R., DeWolf, J., & Mazurek, D. (2017). Mécanica de Mteriales. México: Mc Graw Hill. DiagramaWeb. (2019). Obtenido de https://diagramaweb.com/esfuerzo-deformacion/ Norton, R. (2011). Diseño de mauinas un enfoque integrado. CDMX: Pearson Education. SlideToDoc. (2018). Obtenido de https://slidetodoc.com/teora-de-esfuerzo-cortantemximo-generalidades-una-teora/