1. 00BudyPre-i-xxvii.indd ii16/10/07 09:53:02

2. Constantes fsicas de materiales Mdulo de elasticidad E MaterialMpsiMdulo de rigidez GGPaMpsiGPaRelacin de Poisson vPeso unitario w lb/pulg3 lb/ft3 kN/m3Aluminio (todas las aleaciones)10.371.03.8026.20.3340.09816926.6Cobre al berilio18.0124.07.048.30.2850.29751380.6Latn15.4106.05.8240.10.3240.30953483.8Acero al carbono30.0207.011.579.30.2920.28248776.5Fundicin de hierro (gris)14.5100.06.041.40.2110.26045070.6Cobre17.2119.06.4944.70.3260.32255687.3Abeto Douglas1.611.00.64.10.330.016284.3Vidrio6.746.22.718.60.2450.09416225.431.0214.011.075.80.2900.30753083.35.336.51.913.10.4250.411710111.5Inconel Plomo Magnesio6.544.82.416.50.3500.06511217.6Molibdeno48.0331.017.0117.00.3070.368636100.0Metal Monel26.0179.09.565.50.3200.31955186.6Nquel plata18.5127.07.048.30.3220.31654685.8Acero al niquel30.0207.011.579.30.2910.28048476.0Bronce fosforado16.1111.06.041.40.3490.29551080.1Acero inoxidable (18-8)27.6190.010.673.10.3050.28048476.000BudyPre-i-xxvii.indd i16/10/07 09:53:01 3. 00BudyPre-i-xxvii.indd ii16/10/07 09:53:02 4. Diseo en ingeniera mecnica de Shigley00BudyPre-i-xxvii.indd iii16/10/07 09:53:04 5. 00BudyPre-i-xxvii.indd iv16/10/07 09:53:05 6. Diseo en ingeniera mecnica de Shigley Octava edicin Richard G. Budynas Profesor emrito Kate Gleason College of Engineering Rochester Institute of TechnologyJ. Keith Nisbett Profesor asociado de Ingeniera Mecnica Universidad de MissouriRollaRevisin tcnica: Miguel ngel Ros Snchez Departamento de Ingeniera Mecnica Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Estado de MxicoMXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO00BudyPre-i-xxvii.indd v16/10/07 09:53:06 7. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayn Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Jess Elmer Murrieta Murrieta Efrn Alatorre MiguelDISEO EN INGENIERA MECNICA DE SHIGLEY Octava edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.DERECHOS RESERVADOS 2008 respecto a la octava edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D. F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736ISBN-10: 970-10-6404-6 ISBN-13: 978-970-10-6404-7 Traducido de la octava edicin en ingls de la obra SHIGLEYS MECHANICAL ENGINEERING DESING, by Richard G. Budynas and J. Keith Nisbett. Copyright 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved ISBN-13: 978-0-07-312193-2 ISBN edicin anterior en espaol: 970-10-3646-8 123456789009765432108Impreso en MxicoPrinted in Mexico00BudyPre-i-xxvii.indd vi16/10/07 09:53:08 8. Dedicatoria A mi familia y buenos amigos, en especial a mi esposa Joanne, quien realmente le da significado a todo esto. Tambin, al sinnmero de estudiantes con quienes he tenido el placer de trabajar a travs de los aos. Richard G. BudynasA mi padre, quien comparti conmigo sus habilidades como operador de mquinas, me demostr la curiosidad de un ingeniero, y nunca dud en su reconocimiento de por qu cualquiera de estos aspectos tiene un significado. J. Keith Nisbett00BudyPre-i-xxvii.indd vii16/10/07 09:53:08 9. Dedicatoria a Joseph Edward ShigleyJoseph Edward Shigley (1909-1994) es indudablemente una de las personas ms conocidas y respetadas por sus aportaciones a la enseanza del diseo de mquinas. Fue autor o coautor de ocho libros, incluyendo Theory of Machines and Mechanisms (con John J. Uicker, Jr.), y Handbook of Machine Design. Comenz con Machine Design como autor nico en 1956, hasta que el texto evolucion hasta convertirse en Mechanical Engineering Design (Diseo en ingeniera mecnica), con el que se estableci el modelo para este tipo de libros de texto. Contribuy con las primeras cinco ediciones de este libro, junto con los coautores Larry Mitchell y Charles Mischke. Un nmero incontable de estudiantes a lo largo del mundo tienen su primer encuentro con el diseo de mquinas a travs del libro de texto de Shigley, que se ha convertido en un verdadero clsico. Prcticamente todos los ingenieros mecnicos del pasado medio siglo han hecho referencia a terminologa, ecuaciones o procedimientos como provenientes de Shigley. McGraw-Hill tiene el honor de haber trabajado con el Profesor Shigley durante ms de cuarenta aos, y como un tributo a su ltima contribucin a este libro, su ttulo reflejar de manera oficial el nombre que muchas personas ya le dan al texto: Diseo en ingeniera mecnica de Shigley. Despus de haber recibido ttulos en Ingeniera Elctrica e Ingeniera Mecnica por la Universidad Purdue y una maestra en ciencias en ingeniera mecnica por la Universidad de Michigan, el profesor Shigley realiz una carrera acadmica en el Clemson College, de 1936 a 1954. Esto lo condujo a su puesto como profesor y jefe de diseo mecnico y dibujo en dicha institucin. Se uni al magisterio del Departamento de Ingeniera Mecnica de la Universidad de Michigan en 1956, donde permaneci durante veintids aos hasta su retiro en 1978. El profesor Shigley obtuvo el rango de catedrtico de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecnicos (ASME) en 1968. Recibi el premio del Comit de Mecanismos de la ASME en 1974, la medalla Worcester Reed Warner por su destacada contribucin a la literatura permanente para ingeniera en 1977, y el premio para el Diseo de Mquinas de la ASME en 1985. Joseph Edward Shigley ciertamente marc la diferencia. Su legado perdurar.viii00BudyPre-i-xxvii.indd viii16/10/07 09:53:08 10. Acerca de los autoresRichard G. Budynas es profesor emrito del Colegio de Ingeniera Kate Gleason en el Instituto de Tecnologa Rochester. Tiene ms de 40 aos de experiencia en la enseanza y la prctica del diseo para ingeniera mecnica. Es el autor de un libro de texto de McGrawHill, Advanced Strength and Applied Stress Analysis, segunda edicin; y coautor de un libro de referencia reciente para McGraw-Hill, Roarks Formulas for Stress and Strain, sptima edicin. Recibi el grado de Licenciatura en Ingeniera Mecnica en el Union College, el de Maestra en la Universidad de Rochester y el de Doctorado en la Universidad de Massachussets. Es ingeniero profesional con licencia en el estado de Nueva York. J. Keith Nisbett es profesor asociado y catedrtico asociado de Ingeniera Mecnica en la Universidad de Missouri en Rolla. Tiene ms de 20 aos de experiencia en el uso y la enseanza de este libro clsico. Como lo demuestran los continuos premios a la enseanza que ha recibido, incluyendo el premio que otorga el gobernador para la excelencia en la enseanza, est dedicado a encontrar formas de comunicar conceptos a los estudiantes. Recibi el grado de licenciatura, maestra y doctorado de la Universidad de Texas en Arlington.ix00BudyPre-i-xxvii.indd ix16/10/07 09:53:09 11. Contenido brevePrefacio xviiParte 1Fundamentos21Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica2Materiales3Anlisis de carga y esfuerzo4Deexin y rigidezParte 227Prevencin de fallas67141 2045Fallas resultantes de carga esttica6Fallas por fatiga resultantes de carga variableParte 33205 257Diseo de elementos mecnicos 3467Ejes, echas y sus componentes8Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes 3959Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes 45734710Resortes mecnicos11Cojinetes de contacto rodante12Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin 59713Engranes: descripcin general65314Engranes rectos y helicoidales71315Engranes cnicos y de tornillo sinfn16Embragues, frenos, coples y volantes 80517Elementos mecnicos exibles18Caso de estudio: transmisin de potenciaParte 4499Herramientas de anlisis549765859 91393219Anlisis de elementos nitos 93320Consideraciones estadsticas957x00BudyPre-i-xxvii.indd x16/10/07 09:53:09 12. Contenido brevexiApndices ATablas tilesBRespuestas a problemas seleccionados ndice00BudyPre-i-xxvii.indd xi983 1039104416/10/07 09:53:10 13. ContenidoPrefacioParte 11 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5xviiFundamentos 2Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 3 El diseo4El diseo en la ingeniera mecnica5Fases e interacciones del proceso de diseo Herramientas y recursos de diseo58Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseo 101-6 1-7 1-8Esfuerzo y resistenciaEconoma122-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9153-1 3-216Factor de diseo y factor de seguridad Confiabilidad Unidades1718Dimensiones y tolerancias1921Clculos y cifras significativas22Especificaciones del estudio del caso transmisin de potencia 23 Problemas23Seguridad y responsabilidad legal del producto 15 Incertidumbre24Materiales27Resistencia y rigidez del material28Significancia estadstica de las propiedades de los materiales 32 Resistencia y trabajo en fro Dureza36Propiedades de impacto37Efectos de la temperatura Sistemas de numeracin Fundicin en arena39 4041Moldeado en cascarnFundicin de revestimiento42333-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13 3-14 3-15 3-16 3-17 3-18 3-19 3-2042Proceso de metalurgia de polvos Procesos de trabajo en caliente Procesos de trabajo en fro Aceros aleados42 4344Tratamiento trmico del acero4447Aceros resistentes a la corrosin Materiales para fundicin Metales no ferrosos Plsticos48495154Materiales compuestos55Seleccin de materiales56ProblemasNormas y cdigos 121-9 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14 1-15 1-162-10 2-11 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-2163Anlisis de carga y esfuerzo 67 Equilibrio y diagramas de cuerpo libre68Fuerza cortante y momentos flexionantes en vigas 71 Funciones de singularidad Esfuerzo7375Componentes cartesianos del esfuerzo Crculo de Mohr del esfuerzo plano Esfuerzo tridimensional general Deformacin unitaria elstica757682 83Esfuerzos uniformemente distribuidos84Esfuerzos normales para vigas en flexin85Esfuerzos cortantes para vigas en flexin90Torsin95Concentracin del esfuerzo105Esfuerzos en cilindros presurizados Esfuerzos en anillos rotatorios107110Ajustes a presin y por contraccin 110 Efectos de la temperatura111Vigas curvas en flexin 112 Esfuerzos de contacto Resumen Problemas117121 121xii00BudyPre-i-xxvii.indd xii16/10/07 09:53:10 14. xiiiContenido4 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-12 4-13Deflexin y rigidez Constantes de resorte5-13 5-14141142Tensin, compresin y torsin143Mtodos para calcular la deflexin en vigas 146 Clculo de la deflexin en vigas por superposicin 147 Clculo de la deflexin de una viga por funciones de singularidad 150 156Teorema de Castigliano158Deflexin de elementos curvos 163 Problemas estticamente indeterminados168Elementos sometidos a compresin-general6 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-61736-7 6-8 6-9Columnas largas con carga centrada 173 Columnas de longitud intermedia con carga centrada 176240Ecuaciones de diseo importantes ProblemasDeflexin debida a flexin 144Energa de deformacinAnlisis estocstico246248Fallas por fatiga resultantes de carga variable 257 Introduccin a la fatiga en metales 258 Enfoque de la falla por fatiga en el anlisis y el diseo 264 Mtodos de la fatiga-vida 265 Mtodo del esfuerzo-vida265Mtodo de la deformacin-vida268Mtodo mecnico de la fractura linealelstica 270 Lmite de resistencia a la fatiga 274 Resistencia a la fatiga 275 Factores que modifican el lmite de resistencia a la fatiga 2784-14 4-15Columnas con carga excntrica 176 Puntales o elementos cortos sometidos a compresin 1806-10Concentracin del esfuerzo y sensibilidad a la muesca 2874-16 4-17 4-18Estabilidad elstica6-11 6-12Caracterizacin de esfuerzos fluctuantes 2926-13Resistencia a la fatiga por torsin bajo esfuerzos fluctuantes 3096-14 6-15Combinaciones de modos de carga 3096-16 6-17 6-18Resistencia a la fatiga superficial 319Choque e impacto5183Cargas aplicadas en forma sbita 184 ProblemasParte 2182186Prevencin de fallas 204Fallas resultantes de carga esttica 2055-1 5-2 5-3 5-4Resistencia esttica5-5Teora de la energa de distorsin para materiales dctiles 2135-6Teora de Mohr-Coulomb para materiales dctiles 2195-7 5-8 5-9 5-10 5-11 5-1200BudyPre-i-xxvii.indd xiii208Concentracin del esfuerzo Teoras de falla209Criterios de la falla por fatiga ante esfuerzos variables 295Esfuerzos variables y fluctuantes; dao por fatiga acumulada 313 Anlisis estocstico322Resumen de ecuaciones de diseo importantes para el mtodo del esfuerzo-vida 336 Problemas340211Parte 3Teora del esfuerzo cortante mximo para materiales dctiles 211Resumen de fallas para materiales dctiles222Teora del esfuerzo normal mximo para materiales frgiles 226 Modificaciones a la teora de Mohr para materiales frgiles 227 Resumen de fallas de materiales frgiles Seleccin de criterios de falla229230Introduccin a la mecnica de la fractura2317 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 7-7 7-8Diseo de elementos mecnicos 346Ejes, flechas y sus componentes 347 Introduccin348Materiales para fabricar ejes Configuracin del eje348349Diseo de ejes para el esfuerzo354Consideraciones sobre deflexin Velocidades crticas de ejesComponentes diversos de los ejes Lmites y ajustes Problemas367371 37638338816/10/07 09:53:11 15. xivContenido8Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes 3958-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8Normas y definiciones de roscas8-9Uniones a tensin cargada en forma esttica con precarga 4258-10 8-11 8-12Sujetadores roscados400408Uniones: rigidez del sujetador410Uniones: rigidez del elemento413Resistencia del pernoRelacin del par de torsin del perno con la tensin del perno 422524Resortes de espiras helicoidales de torsin Resortes Belleville Resortes diversos Resumen532539 540542 54211Cojinetes de contacto rodante 549Carga por fatiga de uniones a tensin 429 Uniones con pernos y remaches cargadas en cortante 43511-4Supervivencia del cojinete: confiabilidad contra vida 55511-5 11-6 11-7 11-8Relacin carga-vida-confiabilidad 557443Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes 457 458Soldaduras a tope y de filete11-9 11-10460Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a torsin 464Resistencia de las uniones soldadas Carga esttica474 480480489Resortes mecnicos499Esfuerzos en resortes helicoidales 500 Efecto de curvatura501Deflexin de resortes helicoidales Resortes de compresin Estabilidad502502504Materiales para resortesVida de los cojinetes553Efecto carga-vida del cojinete a confiabilidad nominal 554Cargas combinadas, radial y de empuje 559 Carga variable 564 Seleccin de cojinetes de bolas y de rodillos cilndricos 568 Seleccin de cojinetes de rodillos cnicos571Evaluacin del diseo de cojinetes de contacto rodante seleccionados 582 Lubricacin586Montaje y alojamiento Problemas12Soldadura por resistencia Uniones con adhesivo11-11 11-12550587591471Carga por fatiga 478Problemas00BudyPre-i-xxvii.indd xivResortes de extensinTipos de cojinetes429Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexin 46910-810-11 10-12 10-13 10-14 10-1511-1 11-2 11-3Uniones con empaque9-410-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7Diseo de un resorte helicoidal de compresin para carga por fatiga 521ProblemasSmbolos de soldadura1010-104179-1 9-2 9-39-5 9-6 9-7 9-8 9-9Carga por fatiga de resortes helicoidales a compresin 518Uniones a tensin: la carga externa 421Problemas9396Mecnica de los tornillos de potencia10-912-1 12-2 12-3 12-4 12-5 12-6 12-7 12-8 12-9505Diseo de resortes helicoidales de compresin para servicio esttico 510 Frecuencia crtica de resortes helicoidales 51612-10 12-11 12-12Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin Tipos de lubricacin Viscosidad597598599Ecuacin de Petroff601Lubricacin estable603Lubricacin de pelcula gruesa Teora hidrodinmica604605Consideraciones de diseo609Relaciones entre las variables611Condiciones de estado estable en cojinetes autocontenidos 625 Holgura628Cojinetes con lubricacin a presin630Cargas y materiales 63616/10/07 09:53:12 16. xvContenido12-13 12-14 12-15Tipos de cojinetes Cojinetes de empuje13 13-1 13-2 13-3 13-4 13-5 13-6 13-7 13-8 13-9 13-10 13-11 13-12 13-13 13-14 13-15 13-16 13-1714-1 14-2 14-3 14-4 14-5 14-6 14-7 14-8 14-9 14-10 14-11 14-12 14-13 14-1400BudyPre-i-xxvii.indd xv640649Tipos de engranes NomenclaturaFundamentos Interferencia658658Relacin de contacto664665Formacin de dientes de engranes667Engranes de tornillo sinfn671675676766Esfuerzos y resistencias en engranes cnicos Factores de la ecuacin AGMA768771Anlisis de engranes cnicos rectos783Diseo de un acoplamiento de engranes cnicos rectos 786 Anlisis de un engrane de tornillo sinfn 793Carga del desgaste de Buckingham 800Engranes de tornillo sinfn: ecuacin AGMA689Anlisis de fuerzas: engranes helicoidales Anlisis de fuerzas: engranes de tornillo sinfn 694 700Engranes rectos y helicoidales 713 Ecuacin de flexin de Lewis Durabilidad de la superficie714 723Ecuaciones del esfuerzo AGMA725Ecuaciones de resistencia AGMA727Factores geomtricos I y J (ZI y YJ) Coeficiente elstico Cp (ZE)73173673616 69216-1 16-2 16-3 16-4 16-5 16-6 16-7 16-8 16-9 16-10 16-11 16-12738Diseo del acoplamiento de un engrane y un tornillo sinfn 797Factores de la condicin superficial Cf (ZR) 73817739Factor de distribucin de la carga Km (KH) 739 741Factores de los ciclos de esfuerzos YN y ZN 742 Factor de confiabilidad KR (YZ)801Embragues, frenos, coples y volantes 805 Anlisis esttico de embragues y frenos74317-1 17-2 17-3 17-4 17-5807Embragues y frenos de tambor de expansin interna 812 Embragues y frenos de contraccin externa Embragues y frenos de banda Frenos de disco820824Embragues axiales de friccin por contacto825829Embragues y frenos cnicos833Consideraciones sobre energa Aumento de temperatura Materiales de friccin836837841Otros tipos de embragues y coples Volantes de inercia ProblemasFactor de relacin de la dureza CH789685Anlisis de fuerzas: engranes cnicosFactor de tamao Ks755760Engranes cnicos: descripcin generalProblemasAnlisis de fuerzas: engranes rectosFactor de sobrecarga Ko745Diseo de un acoplamiento de engranesEngranes cnicos y de tornillo sinfn 765678Factor dinmico KvAnlisis15-6 15-7 15-8670Engranes helicoidales paralelosTrenes de engranesFactores de seguridad SF y SH 74515-9Engranes cnicos rectosSistemas de dientesFactor de espesor del aro KB 74415-1 15-2 15-3 15-4 15-5657Propiedades de la involuta74415654655Accin conjugadaFactor de temperatura KT (Y )ProblemasEngranes: descripcin general 653Problemas14639Cojinetes de lubricacin lmite Problemas14-15 14-16 14-17 14-18 14-19638844846851Elementos mecnicos flexibles 859 Bandas860Transmisiones de banda plana o redonda 863 Bandas en V878Bandas de sincronizacin Cadenas de rodillos88688716/10/07 09:53:13 17. xviContenido17-6 17-7Cables metlicos Ejes flexibles Problemas18 18-1 18-2 18-3 18-4 18-5 18-6 18-7 18-8 18-9 18-10 18-11904 905Caso de estudio: transmisin de potencia 913 Secuencia de diseo para transmisin de potencia 915 Requisitos de potencia y par de torsin Especificaciones de engranes Diseo del eje942Aplicacin de carga 944 Condiciones de frontera Tcnicas de modelado Esfuerzos trmicos945 946949Carga de pandeo crtica 949 Anlisis de vibracin Resumen951952Problemas20 925 925Diseo del eje para esfuerzos926Diseo del eje para deflexin926Seleccin de cojinetesGeneracin de malla954916Seleccin del material del ejeConsideraciones estadsticas 95720-1 20-2927Seleccin de cua y anillo de retencin Anlisis final19-4 19-5 19-6 19-7 19-8 19-9 19-10 19-11916923Anlisis de fuerzasProblemasParte 4896928931Variables aleatorias20-3 20-4 20-5Distribuciones de probabilidad 965931958Media aritmtica, variancia y desviacin estndar 960 Propagacin del error 972 Regresin lineal Problemas974977Herramientas de anlisis 932Apndices 19 19-1 19-2 19-300BudyPre-i-xxvii.indd xviAnlisis de elementos finitos 933 Mtodo del elemento finito Geometras del elementoA B935Tablas tilesRespuestas a problemas seleccionados 1039983937Proceso de solucin del elemento finito939ndice104416/10/07 09:53:14 18. PrefacioObjetivos Este libro se escribi para estudiantes que inician su estudio del diseo en ingeniera mecnica. El enfoque est en la combinacin del desarrollo fundamental de conceptos con la especificacin prctica de componentes. Los estudiantes debern encontrar que este libro los conduce de manera inherente a familiarizarse tanto con las bases para tomar decisiones, como tambin con las normas para componentes industriales. Por esta razn, cuando los estudiantes pasen a ser ingenieros practicantes, se darn cuenta que este texto es indispensable como referencia. Los objetivos del texto son: Cubrir los conceptos bsicos del diseo de mquinas, incluyendo el proceso de diseo, la ingeniera mecnica y de materiales, la prevencin de fallas bajo carga esttica y variable, as como tambin las caractersticas de los principales tipos de elementos mecnicos. Ofrecer un enfoque prctico sobre el tema a travs de una gran variedad de aplicaciones reales y ejemplos. Estimular al lector para que vincule el diseo con el anlisis. Incentivar al lector para que relacione los conceptos fundamentales con la especificacin de componentes prcticos.Lo nuevo en esta edicin La octava edicin ha sido mejorada en los siguientes aspectos significativos: Nuevo captulo sobre el mtodo del elemento finito. En respuesta a muchas peticiones de los revisores, en esta edicin se presenta un captulo introductorio sobre el mtodo del elemento finito. El objetivo de este captulo es proporcionar una visin general de la terminologa, el mtodo, las capacidades y las aplicaciones de esta herramienta en el entorno del diseo. Nuevo estudio de caso de transmisin. En ocasiones, la separacin tradicional de los temas en captulos hace que los estudiantes se pierdan cuando llega el momento de integrar temas dependientes en un proceso de diseo ms grande. Por esa razn se incorpora un extenso caso de estudio a travs de ejemplos resueltos en mltiples captulos, lo cual culmina con un nuevo captulo en el que se analiza y se demuestra la integracin de las partes en un proceso de diseo completo. Los problemas resueltos que son relevantes para el caso de estudio, se presentan sobre un fondo de papel de ingeniera, para poder identificarlos con rapidez como parte del caso de estudio. Cobertura revisada y expandida del diseo de ejes. Como complemento al nuevo caso de estudio de transmisin se tiene un captulo significativamente revisado y expandido que se enfoca en aspectos relevantes para el diseo de ejes. El objetivo de ello es proporcionar una presentacin significativa que permita a un nuevo diseador pasar a travs de todo el proceso de diseo de ejes: desde la configuracin general del eje hasta la especificacin de sus dimensiones. Ahora, este captulo se ha colocado inmediatamente despus del captulo sobre fatiga, lo que brinda la oportunidad de una transicin continua desde el tema de fatiga hasta su aplicacin en el diseo de ejes. xvii00BudyPre-i-xxvii.indd xvii16/10/07 09:53:14 19. xviiiPrefacio Disponibilidad de informacin para completar los detalles de un diseo. Se hace un nfasis adicional en asegurar que el diseador sea capaz de llevar a cabo el proceso hasta su terminacin. Mediante la asignacin de problemas de diseo ms grandes en clase, los autores han identificado los puntos en los que a los estudiantes les hacen falta ciertos detalles. Por ejemplo, ahora se proporciona informacin para detalles tales como la especificacin de cuas que transmitan par de torsin, los factores de concentracin del esfuerzo para cueros y ranuras de anillos de retencin, y las deflexiones permisibles para engranes y cojinetes. Se hace nfasis en el uso de catlogos por Internet y dispositivos de bsqueda de componentes de ingeniera para la obtencin de especificaciones de componentes actuales. Perfeccionamiento de la presentacin. La cobertura del material contina perfeccionndose para enfocarse en la presentacin directa del desarrollo del concepto y un procedimiento de diseo que sea claro para los estudiantes.Cambios y reorganizacin del contenido En la parte final del libro, se ha agregado una nueva parte 4, Herramientas de anlisis, para incluir el nuevo captulo sobre elementos finitos y el captulo sobre consideraciones estadsticas. Con base en una encuesta entre profesores, el consenso fue mover estos captulos al final del libro donde estarn disponibles para aquellos profesores que deseen usarlos. La reubicacin del captulo sobre estadstica ocasiona que se renumeren los captulos del 2 al 7. Como el captulo sobre ejes se ha reubicado inmediatamente despus del captulo de fatiga, los captulos sobre componentes (del 8 al 17) mantienen su misma numeracin. A continuacin se describe la nueva organizacin, y se hacen comentarios breves sobre los cambios en el contenido. Parte 1: Fundamentos En la parte 1 se proporciona una introduccin lgica y unificada al material bsico necesario para el diseo de mquinas. Los captulos de la parte 1 han recibido una limpieza completa para perfeccionar y agudizar el enfoque, as como para eliminar confusiones. Captulo 1, Introduccin. Se ha retirado cierto material obsoleto e innecesario. Una nueva seccin sobre especificacin del problema introduce el caso de estudio de transmisin. Captulo 2, Materiales. Se introduce informacin nueva sobre la seleccin de materiales en un proceso de diseo. Se incluyen las grficas de Ashby, a las cuales se hace referencia como herramientas de diseo. Captulo 3, Anlisis de carga y esfuerzo. Se han reescrito varias secciones para mejorar la claridad. Se aborda especficamente la flexin en dos planos y se proporciona un problema de ejemplo. Captulo 4, Deflexin y rigidez. Se han reescrito varias secciones para mejorar la claridad. Se incluye un nuevo problema de ejemplo para la deflexin de ejes escalonados. Se introduce una nueva seccin sobre la estabilidad elstica de elementos estructurales en compresin. Parte 2: Prevencin de fallas Esta seccin cubre las fallas por cargas estticas y dinmicas. Los captulos siguientes han recibido una limpieza y clarificacin extensa, enfocada en los estudiantes de diseo. Captulo 5, Fallas resultantes de carga esttica. Adems de la extensa limpieza realizada para mejorar la claridad, se proporciona un resumen de las ecuaciones de diseo ms importantes al final del captulo. Captulo 6, Fallas resultantes por carga variable. Se depur el material confuso sobre la obtencin y el uso del diagrama S-N. Se condensan los mltiples mtodos para obtener la sensibilidad a la muesca. Se rescribi la seccin sobre combinacin de cargas para obtener una00BudyPre-i-xxvii.indd xviii16/10/07 09:53:15 20. Prefacioxixmayor claridad. Se proporciona un resumen del captulo con una visin general del proceso de anlisis y de las ecuaciones de diseo ms importantes usadas en el anlisis de la fatiga. Parte 3: Diseo de elementos mecnicos En la parte 3 se cubre el diseo de componentes de mquina especficos. Todos los captulos han recibido una limpieza general. El captulo sobre ejes se ha trasladado al inicio de la seccin. A continuacin se describe la disposicin de los captulos, as como los cambios ms significativos: Captulo 7, Ejes y flechas. Este captulo se ha expandido de manera significativa y se ha reescrito para cubrir por completo el diseo de ejes. Los profesores que anteriormente no cubran de manera especfica el captulo sobre ejes se ven estimulados a usar este captulo inmediatamente despus de estudiar la falla por fatiga. El diseo de un eje constituye una progresin natural desde la seccin de prevencin de fallas hasta su aplicacin en componentes. Este captulo es una parte esencial del nuevo caso de estudio de transmisin. El material sobre tornillos prisioneros, cuas, pasadores y anillos de retencin, que antes se ubicaba en el captulo sobre uniones empernadas, se ha trasladado a este captulo. El material sobre lmites y ajustes, que antes se encontraba en el captulo de esttica, se ha reubicado en este captulo. Captulo 8, Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes. La seccin sobre tornillos prisioneros, cuas y pasadores, se ha trasladado de este captulo al captulo 7. El material sobre uniones empernadas y remachadas a cortante ha regresado a este captulo. Captulo 9, Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes. La seccin sobre uniones empernadas y remachadas cargadas en cortante se ha trasladado al captulo 8. Captulo 10, Resortes mecnicos. Captulo 11, Cojinetes de contacto rodante. Captulo 12, Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin. Captulo 13, Engranes: descripcin general. Se incluyen nuevos problemas de ejemplo para abordar el diseo de trenes de engranes compuestos para lograr razones de engrane especficas. Se clarifica el anlisis de la relacin entre el par de torsin, la velocidad y la potencia. Captulo 14, Engranes rectos y helicoidales. Se ha revisado la norma actual AGMA (ANSI/ AGMA 2001-D04) para asegurar la actualidad de la informacin en los captulos sobre engranes. Todas las referencias de este captulo estn renovadas para reflejar la norma actual. Captulo 15, Engranes cnicos y de tornillo sinfn. Captulo 16, Embragues, frenos, coples y volantes de inercia. Captulo 17, Elementos mecnicos flexibles. Captulo 18, Estudio de caso de transmisin de potencia. Este nuevo captulo proporciona un estudio de caso completo de una transmisin de potencia de doble reduccin. El enfoque est en proporcionar un ejemplo para los estudiantes de diseo del proceso de integracin de los temas incluidos en mltiples captulos. Los profesores se ven motivados a incluir una de las variaciones de este caso de estudio como un proyecto de diseo en el curso. La retroalimentacin del estudiante muestra de manera consistente que este tipo de proyecto es uno de los aspectos ms valiosos de un primer curso en diseo de mquinas. Este captulo puede utilizarse en forma de ayuda para los estudiantes que trabajan en un diseo similar. Parte 4: Herramientas de anlisis En la parte 4 se incluye un nuevo captulo sobre mtodos de elemento finito, y una nueva ubicacin para el captulo sobre consideraciones estadsticas. Los profesores pueden hacer referencia a estos captulos cuando as lo requieran.00BudyPre-i-xxvii.indd xix16/10/07 09:53:15 21. xxPrefacio Captulo 19, Anlisis del elemento finito. La intencin de este captulo es proporcionar una introduccin al mtodo del elemento finito, y particularmente a su aplicacin al proceso de diseo de mquinas. Captulo 20, Consideraciones estadsticas. Este captulo se reubic y organiz como una herramienta para los usuarios que deseen incorporar conceptos estadsticos en el proceso de diseo de mquinas. Este captulo deber revisarse cuando se estudien las secciones 5-13, 6-17 o el captulo 11.Materiales de apoyo Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseanzaaprendizaje, as como la evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y conocer la poltica de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill.00BudyPre-i-xxvii.indd xx16/10/07 09:53:16 22. ReconocimientosLos autores desean reconocer a los mltiples revisores cuya retroalimentacin ha contribuido al xito de esta nueva edicin de Diseo en Ingeniera Mecnica de Shigley: Revisores Om P. Agrawal, Southern Illinois University Stanton C. Apple, Arkansas Tech University Ara Arabyan, University of Arizona Nagaraj Arakere, University of Florida Eric Austin, Clemson University Haim Baruh, Rutgers University Abdel Bayoumi, University of South Carolina Henry R. Busby, The Ohio State University Larry W. Carpenter, Bradley University Tsuchin Chu, Southern Illinois University Masood Ebrahimi, Virginia State University Raghu Echempati, Kettering University Kambiz Farhang, Southern Illinois University Tony Farquhar, University of Maryland-Baltimore County Forrest Flocker, Tri-State University, Angola, Indiana J. Earl Foster, University of Illinois-Chicago Paul E. Funk, University of Evansville Max Gassman, Iowa State University Jenn-Terng Gau, Northern Illinois University Slade Gellin, Buffalo State University Jon S. Gerhardt, University of Akron J. Darrell Gibson, Rose-Hulman Institute of Technology James Glancey, University of Delaware Vladimir Glozman, California State Polytechnic University-Pomona Itzhak Green, Georgia Institute of Technology Thomas R. Grimm, Michigan Tech University Karl H. Grote, California State University, Long Beach A.H. Hagedoorn, University of Central Florida Mohamed Samir Hefzy, University of Toledo Michael Histand, Colorado State University Dennis W. Hong, Virginia Tech Vinod K. Jain, University of Dayton Duane Jardine, University of New Orleans Richard F. Johnson, Montana College of Mineral Science & Technology E. William Jones, Mississippi State University Zella L. Kahn-Jetter, Manhattan College Frank Kelso, University of Minnesota Michael R. Kendall, St. Martins University Victor Kosmopoulos, The College of New Jersey John D. Landes, University of Tennessee David Lascurain, Pensacola Christian College xxi00BudyPre-i-xxvii.indd xxi16/10/07 09:53:16 23. xxiiReconocimientosMichael Latcha, Oakland University John Lee, McGill University Chi-Wook Lee, University of the Pacific Steven Y. Liang, Georgia Institute of Technology Liwei Lin, University of California at Berkeley John Leland, University of Nevada Reno Kemper Lewis. SUNY Buffalo Kerr-Jia Lu. George Washington University Stan Lukowski, University of Wisconsin-Platteville Michael Magill, George Fox University Ajay Mahajan, Southern Illinois University Enayat Mahajerin, Saginaw Valley State University Ronald Mann, University of South Florida Noah Manring, University of Missouri Dan Marghitu, Auburn University Roy McGrann, Binghamton University David McStravick, Rice University Morteza M. Mehrabadi, Tulane University Peter Mente, North Carolina State University Clint Morrow, Florida Institute of Technology Walied Moussa, University of Alberta Joe Musto, Milwaukee School of Engineering Byron L. Newberry, Oklahoma Christian University Efstratios Nikolaidis, University of Toledo Edwin M. Odom, University of Idaho Marcia K. OMalley, Rice University Robert Paasch, Oregon State University Stephen J. Piazza, Penn State University Heidi-Lynn Ploeg, University of Wisconsin Ramamurthy Prabhakaran, Old Dominion University William Pratt. Southern Utah University Govindappa Puttaiah, West Virginia University Institute of Technology Hamid Rad, Washington State University-Vancouver M. K. Ramasubramanian, North Carolina State University Michael Raulli, Villanova University Hassan Rejali, California State University, Pomona Michael Rider, Ohio Northern University John Ridgely, California Polytechnic State University, San Luis Obispo Don Riley, Walla Walla College James R. Rinderle, University of Massachusetts-Amherst Greg Rohrauer, University of Windsor Ali Sadegh, The City College of New York Akhtar Safder, Bluefield State College Igor Sevostianov, New Mexico State University Paul S. Sherman, Arkansas State University Andres Soom, SUNY Buffalo J.K. Spelt, University of Toronto John P. H. Steele, Colorado School of Mines John Steffen, Valparaiso University B.J. Stephens, University of Alabama-Birmingham Michael Strange, San Francisco State University Robert Sturges, Virginia Polytechnic Institute Joshua D. Summers, Clemson University Greg Thompson, West Virginia University00BudyPre-i-xxvii.indd xxii16/10/07 09:53:17 24. ReconocimientosxxiiiHoracio Vasquez, The University of Texas-Pan American Harold Walling, New Mexico Institute of Mining & Technology M A Wahab, Louisiana State University Wayne Whaley, Oklahoma Christian University X.J. Xin, Kansas State University Maria Yang, University of Southern California Steve Yurgartis, Clarkson University Wayne Zemke, California State University-Pomona Jiaxin Zhao, Indiana Univeristy-Purdue University Fort Wayne Mohammed Zikry, North Carolina State University Asimismo, deseamos expresar nuestro agradecimiento a todos aquellos que con sus valiosos comentarios contribuyeron a enriquecer la presente edicin en espaol: Cuitlahuac Osornio Correa, Universidad Iberoamericana, campus Santa Fe, Ciudad de Mxico Oscar Cervantes, Universidad Panamericana, Ciudad de Mxico Arturo Aguirre, Universidad Popular Autnoma del Estado de Puebla Rosendo Reyes Rosales, Universidad La Salle, Ciudad de Mxico00BudyPre-i-xxvii.indd xxiii16/10/07 09:53:17 25. 00BudyPre-i-xxvii.indd xxiv16/10/07 09:53:17 26. Lista de smbolossta es una lista de smbolos comunes usados en el diseo de mquinas y en este libro. El uso especializado es un tema que a menudo obliga a que se utilicen subndices y superndices, as como tambin sufijos y prefijos. Para que la lista sea suficientemente breve y til, se muestran los principales smbolos. Vea la tabla 14-1, pp. 715-716 para los smbolos de los engranes rectos y helicoidales, y la tabla 15-1 pp. 769-770 para los smbolos de los engranes cnicos. A A a a a B Bhn B b b b Cc FDA CDV c D d E e F f cdm G g H HB HRC h CR Irea, coeficiente Variable de rea Distancia, constante de regresin Estimacin de la constante de regresin Variable de distancia Coeficiente Dureza Brinell Variable Distancia, parmetro de forma de Weibull, nmero de intervalo, constante de regresin, ancho Estimacin de la constante de regresin Variable de distancia Capacidad de carga bsica, constante de junta atornillada, distancia entre ejes, coeficiente de variacin, condicin de extremo de columna, factor de correccin, capacidad del calor especfico, ndice de resorte Distancia, amortiguamiento viscoso, coeficiente de velocidad Funcin de distribucin acumulada Coeficiente de variacin Variable de distancia Dimetro de la hlice Dimetro, distancia Mdulo de elasticidad, energa, error Distancia, excentricidad, eficiencia, base logartmica neperiana Fuerza, dimensin fundamental de la fuerza Coeficiente de friccin, frecuencia, funcin Cifra de mrito Mdulo de elasticidad en torsin Aceleracin debida a la gravedad, funcin Calor, potencia Dureza Brinell Dureza Rockwell escala C Distancia, espesor de pelcula Coeficiente global combinado de transferencia de calor por conveccin y radiacin Integral, impulso lineal, momento de inercia de la masa, segundo momento del rea xxv00BudyPre-i-xxvii.indd xxv16/10/07 09:53:17 27. xxviLista de smbolosi i J j K k k L LN l M M m N N n nd P FDP p Q q R R r r S S s T T t U U u V v W W w w X x x Y y y Z z z00BudyPre-i-xxvii.indd xxvindice Vector unitario en la direccin x Equivalente mecnico del calor, segundo momento polar del rea, factor geomtrico Vector unitario en la direccin y Factor de servicio, factor de concentracin del esfuerzo, factor de aumento del esfuerzo, coeficiente de par de torsin Factor de modificacin del lmite de fatiga de Marin, relacin de resorte Variable k, vector unitario en la direccin z Longitud, vida, dimensin fundamental de la longitud Distribucin log-normal Longitud Dimensin fundamental de la masa, momento Vector del momento, variacin del momento Masa, pendiente, exponente de endurecimiento por deformacin Fuerza normal, nmero, velocidad rotacional Distribucin normal Factor de carga, velocidad rotacional, factor de seguridad Factor de diseo Fuerza, presin Funcin de densidad de la probabilidad Paso, presin, probabilidad Primer momento del rea, fuerza imaginaria, volumen Carga distribuida, sensibilidad a la muesca Radio, fuerza de reaccin, confiabilidad, dureza Rockwell, relacin de esfuerzo Vector fuerza de reaccin Coeficiente de correlacin, radio Vector distancia Nmero de Sommerfeid, resistencia Variable S Distancia, desviacin estndar de la muestra, esfuerzo Temperatura, tolerancia, par de torsin, dimensin fundamental del tiempo Vector del par de torsin, variacin del par de torsin Distancia, estadstico t de Student, tiempo, tolerancia Energa de deformacin Distribucin uniforme Energa de deformacin por unidad de volumen Velocidad lineal, fuerza cortante Velocidad lineal Factor de trabajo en fro, carga, peso Distribucin Weibull Distancia, separacin, intensidad de carga Vector distancia Coordenada, nmero redondeado Coordenada, valor real de un nmero, parmetro Weibull variacin de x Coordenada Coordenada, deflexin Variable y Coordenada, mdulo de seccin, viscosidad Desviacin estndar de la distribucin normal unitaria Variable z16/10/07 09:53:18 28. Lista de smbolos S $00BudyPre-i-xxvii.indd xxviixxviiCoeficiente, coeficiente de dilatacin trmica lineal, condicin de extremo para resortes, ngulo de la rosca ngulo de cojinete, coeficiente Cambio, deflexin Desviacin, alargamiento Relacin de excentricidad, deformacin unitaria en ingeniera (normal) Distribucin normal con una media de 0 y una desviacin estndar de s Deformacin real o logartmica Funcin gamma ngulo de paso, deformacin por cortante, peso especfico Relacin de esbeltez para resortes Unidad log-normal con una media de 1 y una desviacin estndar igual al CDV Viscosidad absoluta, media de la poblacin Relacin de Poisson Velocidad angular, frecuencia circular ngulo, longitud de onda Integral de la pendiente Radio de curvatura Esfuerzo normal Esfuerzo de von Mises Variable del esfuerzo normal Desviacin estndar Esfuerzo cortante Variable del esfuerzo cortante ngulo, parmetro caracterstico de Weibull Costo por peso unitario Costo16/10/07 09:53:18 29. 00BudyPre-i-xxvii.indd xxviii16/10/07 09:53:19 30. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica1Diseo en ingeniera mecnica de Shigley01Budynas0001-026.indd 11/10/07 17:48:55 31. 2PARTE UNOPARTE01Budynas0001-026.indd 21FundamentosFundamentos1/10/07 17:49:20 32. 1CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica3Introduccin al diseo en la ingeniera mecnicaPanorama del captulo1-1El diseo1-2El diseo en la ingeniera mecnica1-3Fases e interacciones del proceso de diseo1-4Herramientas y recursos de diseo1-5Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseo1-6Normas y cdigos1-7Economa1-8Seguridad y responsabilidad legal del producto1-9Esfuerzo y resistencia4 5 58 101212 15151-10Incertidumbre1-11Factor de diseo y factor de seguridad1-12Confiabilidad1-13Dimensiones y tolerancias1-14Unidades1-15Clculos y cifras significativas1-16Especificaciones del estudio del caso transmisin de potencia16 1718 1921 22 23301Budynas0001-026.indd 31/10/07 17:49:24 33. 4PARTE UNOFundamentosEl diseo mecnico es una tarea compleja que requiere muchas habilidades. Es necesario subdividir grandes relaciones en una serie de tareas simples. La complejidad del tema requiere una secuencia en la que las ideas se presentan y se revisan. Primero se aborda la naturaleza del diseo en general, luego el diseo en la ingeniera mecnica en particular. El diseo es un proceso iterativo con muchas fases interactivas. Existen muchos recursos para apoyar al diseador, entre los que se incluyen muchas fuentes de informacin y una gran abundancia de herramientas de diseo por computadora. El ingeniero de diseo no slo necesita desarrollar competencia en su campo, sino que tambin debe cultivar un fuerte sentido de responsabilidad y tica de trabajo profesional. Hay funciones que deben realizarse mediante cdigos y normas, por la siempre presente economa, por seguridad y por consideraciones de responsabilidad legal del producto. La supervivencia de un componente mecnico est frecuentemente relacionada con el esfuerzo y la resistencia. Los aspectos de incertidumbre siempre han estado presentes en el diseo en la ingeniera y se abordan de manera tpica mediante el factor de diseo y el factor de seguridad, ya sea en la forma determinista (absoluta) o en un sentido estadstico. El enfoque estadstico se refiere a la confiabilidad del diseo y necesita buenos datos estadsticos. En el diseo mecnico existen otras consideraciones que incluyen las dimensiones y las tolerancias, unidades y clculos. Este libro consta de cuatro partes. La parte 1, Fundamentos, comienza con la explicacin de algunas de las diferencias entre el diseo y el anlisis, y presenta diversas nociones y enfoques fundamentales del diseo. Contina con tres captulos donde se repasan las propiedades de los materiales, el anlisis de esfuerzos y el anlisis de la rigidez y de la deflexin, que representan los principios clave necesarios para el resto del libro. La parte 2, Prevencin de fallas, consta de dos captulos acerca de la prevencin de fallas en partes mecnicas. Por qu fallan las mquinas y cmo pueden disearse para prevenir la falla son preguntas difciles y por lo tanto se requieren dos captulos para responderlas; uno sobre la prevencin de la falla debida a cargas estticas, y el otro sobre la prevencin de la falla por fatiga provocada por cargas cclicas que varan con el tiempo. En la parte 3, Diseo de elementos mecnicos, el material de las partes 1 y 2 se aplica al anlisis, seleccin y diseo de elementos mecnicos especficos, como ejes, sujetadores, partes soldadas, resortes, cojinetes de contacto de bolas, cojinetes de pelcula, engranes, bandas, cadenas y cables. En la parte 4, Herramientas de anlisis, se proporcionan introducciones a dos importantes mtodos que se utilizan en el diseo mecnico: anlisis del elemento finito y anlisis estadstico. ste es material de estudio opcional, pero algunas secciones y ejemplos de las partes 1, 2 y 3 demuestran el uso de estas herramientas. Hay dos apndices al final del libro. El apndice A contiene muchas tablas tiles referenciadas a lo largo del texto. El apndice B presenta las respuestas a algunos de los problemas que se encuentran al final de los captulos.1-1El diseo Disear es formular un plan para satisfacer una necesidad especfica o resolver un problema. Si el plan resulta en la creacin de algo fsicamente real, entonces el producto debe ser funcional, seguro, confiable, competitivo, til, que pueda fabricarse y comercializarse. El diseo es un proceso innovador y altamente iterativo. Tambin es un proceso de toma de decisiones. Algunas veces stas deben tomarse con muy poca informacin, en otras con apenas la cantidad adecuada y en ocasiones con un exceso de informacin 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 ms datos. Lo importante es que el diseador en ingeniera debe sentirse personalmente cmodo cuando ejerce la funcin de toma de decisiones y de resolucin de problemas.01Budynas0001-026.indd 41/10/07 17:49:27 34. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica5El diseo es una actividad de intensa comunicacin en la cual se usan tanto palabras como imgenes y se emplean las formas escritas y orales. Los ingenieros deben comunicarse en forma eficaz y trabajar con gente de muchas disciplinas. stas son habilidades importantes y el xito de un ingeniero depende de ellas. Las fuentes personales de creatividad de un diseador, la habilidad para comunicarse y la destreza para resolver problemas estn entrelazadas con el conocimiento de la tecnologa y sus principios fundamentales. Las herramientas de la ingeniera (como las matemticas, la estadstica, la computacin, las grficas y el lenguaje) se combinan para producir un plan, que cuando se lleva a cabo crea un producto funcional, seguro, confiable, competitivo, til, que se puede fabricar y comercializar, sin importar quin lo construya o lo use.1-2El diseo en la ingeniera mecnica Los ingenieros mecnicos estn relacionados con la produccin y el procesamiento de energa y con el suministro de los medios de produccin, las herramientas de transporte y las tcnicas de automatizacin. Las bases de su capacidad y conocimiento son extensas. Entre las bases disciplinarias se encuentran la mecnica de slidos, de fluidos, la transferencia de masa y momento, los procesos de manufactura y la teora elctrica y de la informacin. El diseo en la ingeniera mecnica involucra todas las reas que componen esta disciplina. Los problemas reales se resisten a la especializacin. Un simple mun y cojinete involucran flujo de fluidos, transferencia de calor, friccin, transporte de energa, seleccin de materiales, tratamientos termomecnicos, descripciones estadsticas, etc. La construccin debe respetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefaccin, ventilacin y de acondicionamiento del aire son lo suficientemente especializadas que algunos hablan del diseo de la calefaccin, ventilacin y del acondicionamiento del aire como si estuvieran separados y fueran distintos del diseo en la ingeniera mecnica. En forma similar, algunas veces el diseo de motores de combustin interna, de turbo-maquinaria y de motores de reaccin se consideran entidades discretas. La serie de adjetivos que siguen a la palabra diseo slo es una ayuda para describir el producto. De manera similar, hay frases como diseo de mquinas, diseo de elementos de mquinas, diseo de componentes de mquinas, diseo de sistemas y diseo de potencia hidrulica. Todas ellas son ejemplos un poco ms enfocados del diseo en la ingeniera mecnica. Se basan en las mismas fuentes de conocimiento, se organizan en forma similar y requieren habilidades semejantes.1-3Fases e interacciones del proceso de diseo Qu es el proceso de diseo? Cmo comienza? El ingeniero simplemente se sienta en la silla de su escritorio con una hoja de papel en blanco y anota algunas ideas? Qu sucede despus? Qu factores influyen o controlan las decisiones que deben tomarse? Por ltimo, cmo termina el proceso de diseo? El proceso completo, de principio a fin, que a menudo se bosqueja como se muestra en la figura 1-1, comienza con la identificacin de una necesidad y la decisin de hacer algo al respecto. Despus de muchas iteraciones, termina con la presentacin de los planes para satisfacer la necesidad. De acuerdo con la naturaleza de la tarea de diseo, algunas fases de ste pueden repetirse durante la vida del producto, desde la concepcin hasta la terminacin. En las siguientes secciones se examinarn estos pasos del proceso de diseo con ms detalle. Por lo general, el proceso de diseo comienza con la identificacin de una necesidad. Con frecuencia, el reconocimiento y la expresin de sta constituyen un acto muy creativo, porque la necesidad quiz slo sea una vaga inconformidad, un sentimiento de inquietud o la deteccin de que algo no est bien. A menudo la necesidad no es del todo evidente; el reconocimiento se acciona por una circunstancia adversa particular o por un conjunto de cir-01Budynas0001-026.indd 51/10/07 17:49:27 35. 6PARTE UNOFundamentosFigura 1-1 Fases del proceso de diseo que reconocen mltiples retroalimentaciones e iteraciones.Reconocimiento de la necesidadDefinicin del problemaSntesisAnlisis y optimizacinEvaluacin Iteracin Presentacincunstancias aleatorias que se originan casi de manera simultnea. Por ejemplo, la necesidad de hacer algo acerca de una mquina de empaque de alimentos se manifiesta por el nivel de ruido, la variacin en el peso del paquete y por alteraciones ligeras pero perceptibles en la calidad del paquete o envoltura. Hay una diferencia notable entre el enunciado de la necesidad y la identificacin del problema. La definicin del problema es ms especfica y debe incluir todas las especificaciones del objeto que va a disearse. Las especificaciones son las cantidades de entrada y salida, las caractersticas y dimensiones del espacio que el objeto debe ocupar y todas las limitaciones sobre estas cantidades. Puede considerarse al objeto que va a disearse como algo dentro de una caja negra. En este caso deben especificarse las entradas y salidas de la caja, junto con sus caractersticas y limitaciones. Las especificaciones definen el costo, la cantidad que se va a manufacturar, la vida esperada, el intervalo, la temperatura de operacin y la confiabilidad. Los puntos obvios en las especificaciones son las velocidades, avances, limitaciones de la temperatura, el intervalo mximo, las variaciones esperadas en las variables, las limitaciones dimensionales y de peso, etctera. Hay muchas especificaciones implicadas que resultan del entorno particular del diseador o de la naturaleza del problema en s. Los procesos de manufactura disponibles, junto con las instalaciones de una cierta planta, constituyen restricciones a la libertad del diseador y de aqu que sean parte de las especificaciones implicadas. Quiz una planta pequea, por ejemplo, no posea maquinaria de trabajo en fro. Debido a que conoce esta circunstancia, el diseador selecciona otros mtodos de procesamiento de metal que se puedan realizar en la planta. Las habilidades de trabajo disponibles y la situacin competitiva tambin constituyen restricciones implcitas. Cualquier cosa que limite la libertad de eleccin del diseador significa una restriccin. Por ejemplo, muchos materiales y tamaos se incluyen en los catlogos del proveedor, pero no todos pueden conseguirse con facilidad y suelen sufrir de escasez. Adems, la economa del inventario requiere que un fabricante tenga en existencia un nmero mnimo de materiales y tamaos. En la seccin 1-16 se da un ejemplo de una especificacin relativa a un caso de estudio de una transmisin de potencia que se presenta a lo largo de todo el texto. Algunas veces, a la sntesis de un esquema que conecta elementos posibles del sistema se le llama invencin del concepto o diseo del concepto. ste es el primer y ms importante paso en la tarea de la sntesis. Varios esquemas deben proponerse, investigarse y cuantificarse01Budynas0001-026.indd 61/10/07 17:49:28 36. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica7en trminos de medidas establecidas.1 A medida que el desarrollo del esquema progresa, se deben realizar anlisis para evaluar si el desempeo del sistema es cuando menos satisfactorio, y si lo es, qu tan bien se desempear. Los esquemas del sistema que no sobreviven al anlisis se revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con potencial se optimizan para determinar el mejor desempeo del esquema. Los esquemas en competencia se comparan de manera que se pueda elegir el camino que conduzca al producto ms competitivo. En la figura 1-1 se muestra que la sntesis, el anlisis y la optimizacin estn relacionados en forma ntima e iterativa. Puede observarse, y debe destacarse, que el diseo es un proceso iterativo en el cual se procede a travs de varios pasos, se evalan los resultados y luego se regresa a una fase inicial del procedimiento. De esta manera es posible sintetizar varios componentes de un sistema, analizar y optimizarlos y regresar a la sntesis para ver qu efectos tiene sobre las partes restantes del sistema. Por ejemplo, el diseo de un sistema para transmitir potencia requiere que se preste atencin al diseo y la seleccin de los elementos ms pequeos que lo componen (por ejemplo, engranes, cojinetes, eje). Sin embargo, como sucede con frecuencia en el diseo, estos componentes no son independientes. Con el propsito de disear el eje para el esfuerzo y la deflexin, es necesario conocer las fuerzas aplicadas. Si stas se transmiten a travs de engranes, es necesario conocer las especificaciones de stos para determinar las fuerzas que se transmitirn hacia el eje. Pero los engranes en inventario se encuentran en el mercado con ciertos tamaos de dimetro interior, lo que requiere un conocimiento de los dimetros necesarios para introducir el eje. Resulta claro que debern hacerse estimaciones gruesas para poder avanzar en el proceso, refinando e iterando hasta que se obtenga un diseo final que sea satisfactorio para cada componente individual as como para las especificaciones de diseo generales. A lo largo del texto se elaborar este proceso para el caso de estudio de un diseo de transmisin de potencia. Tanto el anlisis como la optimizacin requieren que se construyan o inventen modelos abstractos del sistema que admitir alguna forma de anlisis matemtico. A estos modelos se les llama modelos matemticos. Cuando se les crea se espera que sea posible encontrar uno que simule muy bien al sistema fsico real. Como se indica en la figura 1-1, la evaluacin es una fase significativa del proceso de diseo total. La evaluacin representa la prueba final de un diseo exitoso y por lo general implica la prueba del prototipo en el laboratorio. Aqu se desea descubrir si el diseo en verdad satisface la necesidad o las necesidades. Es confiable? Competir exitosamente con productos similares? Es econmica su manufactura y uso? Se mantiene y se ajusta con facilidad? Se puede obtener una ganancia por su venta o uso? Qu tan probable es que el producto propicie demandas legales? Se obtiene un seguro con sencillez y a bajo costo? Quiz sea necesario que se reconozca que se requiere reemplazar partes o sistemas defectuosos? La comunicacin de los resultados a otros es el paso final y vital de presentacin del proceso de diseo. Sin duda, muchos grandes diseos, invenciones y trabajos creativos se han perdido para la posteridad slo porque sus creadores no fueron capaces o no estuvieron dispuestos a explicar sus logros a otros. La presentacin es un trabajo de venta. El ingeniero, cuando presenta una nueva solucin al personal administrativo, gerencial o de supervisin, est tratando de vender o de probarles que la solucin que l propone es la mejor. A menos que lo anterior se pueda hacer de manera exitosa, el tiempo y el esfuerzo empleado en obtener la solucin en gran parte se habrn desperdiciado. Cuando los diseadores venden una idea nueva, tambin se venden a s mismos. Si suelen tener xito en la venta de ideas, diseos y soluciones nuevas a la gerencia, comienzan a recibir aumentos salariales y promociones; de hecho, as es como cualquiera tiene xito en su profesin.1En Stuart Pugh, Total DesignIntegrated Methods for Successful Product Engineering, Addison Wesley, 1991, se presenta un excelente desarrollo de este tpico. Tambin se proporciona una descripcin del mtodo Pugh en el captulo 8 de David G. Ullman, The Mechanical Design Process, 3a. ed., McGraw-Hill, 2003.01Budynas0001-026.indd 71/10/07 17:49:28 37. 8PARTE UNOFundamentosConsideraciones de diseo Algunas veces la resistencia que requiere un elemento de un sistema significa un factor importante para determinar su geometra y dimensiones. En esa situacin se dice que la resistencia es una consideracin de diseo importante. Cuando se emplea la expresin consideracin de diseo se involucra de manera directa alguna caracterstica que influye en el diseo del elemento, o tal vez en todo el sistema. A menudo se deben considerar muchas de esas caractersticas en una situacin de diseo dada. Entre las ms importantes se pueden mencionar (no necesariamente en orden de importancia): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Funcionalidad Resistencia/esfuerzo Distorsin/deflexin/rigidez Desgaste Corrosin Seguridad Confiabilidad Manufacturabilidad Utilidad Costo Friccin Peso Vida14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26Ruido Estilo Forma Tamao Control Propiedades trmicas Superficie Lubricacin Comercializacin Mantenimiento Volumen Responsabilidad legal Capacidad de reciclado/ recuperacin de recursosAlgunas de estas propiedades se relacionan de manera directa con las dimensiones, el material, el procesamiento y la unin de los elementos del sistema. Algunas caractersticas pueden estar interrelacionadas, lo que afecta la configuracin del sistema total.1-4Herramientas y recursos de diseo En la actualidad, el ingeniero tiene una gran variedad de herramientas y recursos disponibles que le ayudan a solucionar problemas de diseo. Las microcomputadoras poco caras y los paquetes robustos de software proporcionan herramientas de gran capacidad para disear, analizar y simular componentes mecnicos. Adems de estas herramientas, el ingeniero siempre necesita informacin tcnica, ya sea en forma de desempeo bsico en ciencias/ingeniera o las caractersticas de componentes especiales recin lanzados. En este caso, los recursos pueden ir desde libros de ciencia/ingeniera hasta folletos o catlogos de los fabricantes. Tambin la computadora puede jugar un papel importante en la recoleccin de informacin.2 Herramientas computacionales El software para el diseo asistido por computadora (CAD) permite el desarrollo de diseos tridimensionales (3-D) a partir de los cuales pueden producirse vistas ortogrficas convencionales en dos dimensiones con dimensionamiento automtico. Las trayectorias de las herramientas pueden generarse a partir de los modelos 3-D y, en algunos casos, las partes pueden crearse directamente desde una base de datos 3-D mediante el uso de un mtodo para la creacin rpida de prototipos y manufactura (estereolitografa): manufactura sin papeles! Otra ventaja de este tipo de base de datos es que permite clculos rpidos y exactos de ciertas propiedades como la masa, la localizacin del centro de gravedad y los momentos de inercia de masa. Del mismo modo, pueden obtenerse con facilidad otras propiedades como reas y distancias entre puntos. Existe una gran cantidad de software de CAD disponible como Aries, AutoCAD, CadKey, I-Deas, Unigraphics, Solid Works y ProEngineer, slo por mencionar algunos. 2En el captulo 4 de George E. Dieter, Engineering Design. A Materials and Processing Approach, 3a. ed., McGrawHill, Nueva York, 2000, puede encontrarse un excelente y comprensible anlisis del proceso de recoleccin de informacin.01Budynas0001-026.indd 81/10/07 17:49:29 38. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica9El trmino ingeniera asistida por computadora (CAE) se aplica generalmente a todas las aplicaciones de ingeniera relacionadas con la computadora. Con esta definicin, el CAD puede considerarse como un subconjunto del CAE. Algunos paquetes de computadora realizan anlisis de ingeniera especficos y/o tareas de simulacin que ayudan al diseador, pero no se consideran una herramienta para la creacin del diseo como lo es el CAD. Este software pertenece a dos categoras: basado en ingeniera y no especfico para ingeniera. Algunos ejemplos de programas basados en ingeniera para aplicaciones de ingeniera mecnica software que tambin podra integrarse dentro de un sistema CAD son los programas para el anlisis del elemento finito (AEF), para el anlisis del esfuerzo y la deflexin (vea el captulo 19), la vibracin y la transferencia de calor (por ejemplo, Algor, ANSYS y MSC/ NASTRAN); programas para la dinmica de fluidos computacional (CFD) para el anlisis del flujo de fluidos y la simulacin (por ejemplo, CFD++, FIDAP y Fluent); y programas para la simulacin de fuerzas dinmicas y el movimiento en mecanismos (por ejemplo, ADAMS, DADS y Working Model). Entre los ejemplos de aplicaciones asistidas por computadora no especficas para ingeniera pueden mencionarse los programas para el procesamiento de palabras, las hojas de clculo (por ejemplo, Excel, Lotus y Quattro-Pro), y solucionadores matemticos (por ejemplo, Maple, MathCad, MATLAB, Mathematica y TKsolver). Su profesor es la mejor fuente de informacin acerca de los programas que es posible obtener y puede recomendarle aquellos que son tiles para tareas especficas. Sin embargo, es necesario tener cuidado: los programas de computadora no sustituyen el proceso de pensamiento humano. En este caso, el conductor es usted; la computadora es el vehculo que lo ayuda en el camino hacia una solucin. Los nmeros generados por una computadora pueden estar muy lejanos a la realidad si usted ingresa una entrada incorrecta, si malinterpreta la aplicacin o la salida del programa, si ste contiene algn error, etc. Es su responsabilidad asegurar la validez de los resultados, por lo que debe tener cuidado al revisar la aplicacin y los resultados, realizar pruebas de calibracin introduciendo problemas con soluciones conocidas, y monitorear las noticias de la compaa de software y de los grupos de usuarios. Adquisicin de informacin tcnica En la actualidad vivimos en la que ha sido llamada la era de la informacin, donde sta se genera a un ritmo sorprendente. Es difcil, pero extremadamente importante, mantenerse al corriente de los desarrollos recientes y actuales de cualquier campo de estudio y ocupacin. La referencia en la nota a pie de pgina 2 proporciona una excelente descripcin de los recursos de informacin disponibles y es una lectura altamente recomendable para el ingeniero de diseo serio. Algunas fuentes de informacin son: Bibliotecas (pblicas, universitarias y privadas). Diccionarios y enciclopedias de ingeniera, libros de texto, monografas, manuales, servicios de ndices y extractos, revistas, traducciones, informes tcnicos, patentes y fuentes/folletos/catlogos de negocios. Fuentes gubernamentales. Departamentos de defensa, comercio, energa y transporte; NASA; Oficina editorial del gobierno; Oficina de patentes y marcas registradas; Servicio de informacin tcnica nacional; Instituto nacional para normas y tecnologa. Sociedades profesionales. Sociedad norteamericana de ingenieros mecnicos, Sociedad de ingenieros en manufactura, Sociedad de ingenieros automotrices, Sociedad norteamericana de pruebas y materiales, y la Sociedad norteamericana de soldadura. Vendedores comerciales. Catlogos, literatura tcnica, datos de prueba, muestras e informacin de costos. Internet. La puerta de entrada a la red de computadoras con sitios asociados con la mayora de las categoras mencionadas anteriormente.3 3Recursos tiles en la red, para mencionar algunos, son www.globalspec.com, www.engnetglobal.com, www.efunda.com, www.thomasnet.com y www.uspto.gov01Budynas0001-026.indd 91/10/07 17:49:29 39. 10PARTE UNOFundamentosLa anterior no es una lista completa. Se recomienda al lector explorar las diferentes fuentes de informacin de manera regular y mantener registros del conocimiento que obtenga.1-5Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseo En general, el ingeniero de diseo debe satisfacer las necesidades de los usuarios (la administracin, clientes, consumidores, etc.) y se espera que lo haga de una manera competente, responsable, tica y profesional. Una gran parte del trabajo en el curso de ingeniera y en la experiencia prctica se enfoca en la competencia, pero, cundo se comienzan a desarrollar la responsabilidad y el profesionalismo en ingeniera? Para encarrilarse en el camino hacia el xito, debe comenzar por establecer estas caractersticas a inicios de su programa educativo. Usted debe cultivar su tica de trabajo profesional y aptitudes de proceso antes de graduarse, de manera que cuando inicie formalmente su carrera en ingeniera est preparado para enfrentar los retos. Para algunos alumnos no es obvio, pero las habilidades de comunicacin juegan un papel importante aqu, por lo cual los estudiantes informados trabajan continuamente en el mejoramiento de estas destrezas, aun cuando no sea un requerimiento directo de algn curso! El xito en ingeniera (logros, promociones, ascensos, etc.) puede deberse en gran parte a la competencia, pero si usted no logra comunicar sus ideas en forma clara y concisa, su calidad tcnica suele verse comprometida. Puede comenzar a desarrollar sus habilidades en comunicacin a travs de la elaboracin de un diario/registro ntido y claro de sus actividades, en el cual debe introducir datos de manera frecuente. (Muchas compaas exigen que sus ingenieros lleven un diario para asuntos referentes a patentes y responsabilidades legales.) Deben usarse diarios distintos para cada proyecto de diseo (o materia). Cuando inicie un proyecto o enfrente un problema, en la etapa de definicin, introduzca datos al diario con bastante frecuencia. Esta tarea puede ser realizada por otras personas, o incluso usted mismo. Podra preguntar despus por qu tom ciertas decisiones. Si se tienen buenos registros cronolgicos ser ms fcil explicar dichas decisiones en el futuro. Muchos estudiantes de ingeniera se ven a s mismos despus de graduarse como ingenieros que practican el diseo, desarrollo y anlisis de productos y procesos y consideran que la necesidad de buenas habilidades de comunicacin, ya sean orales o escritas, es secundaria, lo cual est muy lejos de ser verdad. La mayora de los ingenieros practicantes pasan una buena cantidad de tiempo comunicndose con otros, en la redaccin de propuestas e informes tcnicos, y dando presentaciones e interactuando con personal de apoyo con estudios de ingeniera o sin ellos. Ahora, usted tiene el tiempo para agudizar sus destrezas de comunicacin. Cuando se le asigne una tarea para escribir o hacer una presentacin, ya sea tcnica o no, acptela con entusiasmo y trabaje en el mejoramiento de sus habilidades de comunicacin. Es una buena inversin de tiempo aprender estas destrezas ahora y no en el trabajo. Cuando trabaje en un problema de diseo, es importante que desarrolle un enfoque sistmico. Los siguientes pasos deben recibir una atencin especial, lo cual le ayudar a organizar su tcnica de procesamiento de la solucin: Entienda el problema. La definicin del problema es el paso ms significativo en el proceso de diseo en ingeniera. Lea, comprenda y afine cuidadosamente el enunciado del problema. Identifique la informacin conocida. A partir del enunciado perfeccionado del problema, describa en forma concisa qu informacin es conocida y relevante. Identifique la informacin desconocida y formule la estrategia de solucin. Establezca aquello que debe determinar, y en qu orden, con el propsito de llegar a una solucin del problema. Bosqueje el componente o sistema bajo investigacin, es decir, identifique los parmetros conocidos y desconocidos. Construya un diagrama de flujo de los pasos necesarios para llegar a la solucin final. Los pasos pueden requerir el uso de diagramas de01Budynas0001-026.indd 101/10/07 17:49:29 40. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica11cuerpo libre; propiedades de materiales de las tablas; ecuaciones de los principios bsicos, libros de texto o manuales que relacionan los parmetros conocidos y desconocidos; grficas trazadas en forma experimental o numrica; herramientas computacionales especficas como las que se analizaron en la seccin 1-4; etctera. Establezca todos los supuestos y todas las decisiones. Por lo general, los problemas de diseo reales no tienen soluciones nicas, ideales y cerradas. Las selecciones, como la eleccin de materiales y los tratamientos trmicos, exigen tomar decisiones. Los anlisis requieren supuestos relacionados con el modelado de los componentes o sistemas reales. Todos los supuestos y todas las decisiones deben identificarse y registrarse. Analice el problema. Usando su estrategia de solucin junto con sus decisiones y supuestos, ejecute el anlisis del problema. Haga referencia a las fuentes de todas las ecuaciones, tablas, grficas, resultados del software, etc. Verifique la credibilidad de sus resultados. Compruebe el orden de magnitud, la dimensionalidad, las tendencias, seales, etctera. Evale su solucin. Evale cada paso de la solucin, es decir, observe la forma en que los cambios de estrategia, decisiones, supuestos y ejecucin podran modificar los resultados, de manera positiva o negativa. Si es posible, incorpore los cambios positivos en su solucin final. Presente su solucin. Aqu es donde sus habilidades de comunicacin son importantes. En este punto, usted se est vendiendo a s mismo y sus capacidades tcnicas. Si no puede explicar hbilmente lo que ha hecho, una parte o todo su trabajo suele no entenderse e incluso no aceptarse. Conozca a su audiencia. Como se estableci antes, todos los procesos de diseo son interactivos e iterativos. Por lo tanto, puede ser necesario repetir algunos o todos los pasos anteriores ms de una vez si se obtienen resultados que no sean satisfactorios. Con el propsito de ser eficaces, todos los profesionales deben mantenerse al corriente en sus campos de conocimiento. El ingeniero de diseo puede satisfacer este objetivo de muchas maneras: participar como miembro activo de una sociedad profesional como la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecnicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME), la Sociedad de Ingenieros Automotrices (Society of Automotive Engineers, SAE), la Sociedad de Ingenieros en Manufactura (Society of Manufacturing Engineers, SME); asistir a reuniones, conferencias y seminarios de sociedades, fabricantes, universidades, etc.; tomar cursos o programas de posgrado especficos en universidades; leer en forma regular revistas tcnicas y profesionales; etc. La educacin de un ingeniero no termina con su graduacin. Las obligaciones profesionales del ingeniero de diseo incluyen la realizacin tica de actividades. A continuacin se reproduce la tica del ingeniero de la Sociedad Nacional de Ingenieros Profesionales (National Society of Professional Engineers, NSPE):4 Como ingeniero dedico mis conocimientos y destrezas profesionales al avance y mejoramiento del bienestar humano. Prometo: brindar el mejor desempeo; participar slo en empresas honestas; vivir y trabajar de acuerdo con las leyes del hombre y los estndares ms altos de conducta profesional; anteponer el servicio a la utilidad, el honor y la reputacin de la profesin al beneficio personal y el bienestar pblico a todas las dems consideraciones. Con humildad y pidiendo orientacin divina, hago esta promesa.4Adoptado por la NSPE, en junio de 1954. La tica del ingeniero. Reimpreso con permiso de la NSPE, este cdigo ha sido ampliado y revisado. Para conocer la versin actual, de enero de 2006, vea el sitio en la red www.nspe.org/ ethics/ehl-code.asp, o el archivo pdf, www.nspe.org/ethics/code-2006-jan.pdf01Budynas0001-026.indd 111/10/07 17:49:30 41. 12PARTE UNOFundamentos1-6Normas y cdigos Una norma es un conjunto de especificaciones para partes, materiales o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad, eficiencia y cantidad especificadas. Uno de los propsitos importantes de una norma es poner un lmite al nmero de artculos en las especificaciones para proporcionar un inventario razonable de herramientas, tamaos, formas y variedades. Un cdigo es un conjunto de especificaciones para analizar, disear, manufacturar y construir algo. El propsito de un cdigo consiste en lograr un grado especfico de seguridad, eficiencia y desempeo o calidad. Es importante observar que los cdigos de seguridad no implican seguridad absoluta. De hecho, la seguridad absoluta es imposible de obtener. Algunas veces realmente acontece un suceso inesperado. Disear un edificio para que resista un viento de 120 mi/h no significa que el diseador piense que un viento de 140 mi/h es imposible; slo significa que piensa que es muy improbable. Todas las organizaciones y sociedades que se presentan enseguida han establecido especificaciones para normas y cdigos de diseo o seguridad. El nombre de la organizacin proporciona una gua de la naturaleza de la norma o cdigo. Algunas de las normas y cdigos, as como las direcciones, se pueden obtener en la mayor parte de las bibliotecas tcnicas. Las organizaciones de inters para los ingenieros mecnicos son: Aluminum Association (AA) American Gear Manufacturers Association (AGMA) American Institute of Steel Construction (AISC) American Iron and Steel Institute (AISI) American National Standards Institute (ANS)5 ASM International6 American Society of Mechanical Engineers (ASME) American Society of Testing and Materials (ASTM) American Welding Society (AWS) American Bearing Manufacturers Association (ABMA)7 British Standards Institution (BSI) Industrial Fasteners Institute (IFI) Institution of Mechanical Engineers (I. Mech. E.) International Bureau of Weights and Measures (BIPM) International Standards Organization (ISO) National Institute for Standards and Technology (NIST)8 Society of Automotive Engineers (SAE)1-7Economa La consideracin del costo tiene una funcin tan importante en el proceso de la decisin de diseo que fcilmente podra emplearse el mismo tiempo para estudiar el factor del costo que para realizar el estudio de todo el tema de diseo. Aqu slo se introducen algunos de los conceptos generales y reglas simples.5En 1966 la American Standards Association (ASA) cambi su nombre por el de United States of America Standards Institute (USAS). Luego, en 1969, nuevamente el nombre se cambi a American National Standards Institute, como se muestra antes; este nombre es el que tiene en la actualidad. Esto significa que quiz de manera ocasional encuentre normas ANSI designadas como ASA o USAS. 6Formalmente American Society for Metals (ASM). En la actualidad, el acrnimo ASM carece de definicin.7En 1993 la Anti-Friction Bearing Manufacturers Association (AFBMA) cambi su nombre al de American Bearing Manufacturers Association (ABMA). 801Budynas0001-026.indd 12Anteriormente National Bureau of Standards (NBS).1/10/07 17:49:30 42. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica13Primero, observe que no se puede decir nada en un sentido absoluto respecto de los costos. A menudo, los materiales y la mano de obra incrementan su costo de un ao a otro. Pero es de esperar que los costos del procesamiento de materiales presenten una tendencia a la baja debido al empleo de mquinas herramientas automatizadas y robots industriales. El costo de fabricar un mismo producto vara de ciudad en ciudad y de una planta a otra, debido a las diferencias entre los gastos generales, mano de obra, impuestos y fletes y a las ligeras variaciones en la manufactura. Tamaos estndar La utilizacin de tamaos estndar o corrientes es el principio fundamental de la reduccin del costo. Un ingeniero que especifica una barra AISI 1020 de acero laminado en caliente de seccin cuadrada de 53 mm de lado, denominada cuadrado laminado en caliente, suma un costo agregado al producto, ya que una barra estndar cuadrada de 50 o 60 mm, que tiene un tamao preferible, funcionara igualmente bien. La medida de 53 mm se puede obtener por medio de pedido especial, o mediante el laminado o maquinado de una barra cuadrada de 60 mm, pero estos enfoques agregan costo al producto. Para asegurar que se especifiquen tamaos estndar o recomendables, el diseador debe tener acceso a las listas de existencia de los materiales que se emplean. An es necesario un consejo adicional respecto de la seleccin de los tamaos recomendables. Aunque la mayor parte de los tamaos suele incluirse en los catlogos, no se dispone de todos con facilidad. Algunos tamaos se emplean rara vez, por lo que no se almacenan. Un pedido urgente de los tamaos puede significar ms gastos y retrasos. Tambin debe tener acceso a una lista como la de la tabla A-17, donde se proporcionan los tamaos recomendables en pulgadas y milmetros. Hay muchas piezas que se pueden comprar, tales como motores, bombas, cojinetes y sujetadores, que son especificadas por los diseadores. En este caso, tambin es necesario hacer un esfuerzo especial para especificar partes que se consigan con facilidad. Por lo general, las partes que se hacen y se venden en grandes cantidades cuestan menos que las de tamaos poco comunes. Por ejemplo, el costo de los cojinetes de bolas depende ms de la cantidad de produccin del fabricante de cojinetes, que del tamao del cojinete. Tolerancias amplias Entre los efectos de las especificaciones de diseo sobre los costos, tal vez los de las tolerancias sean los ms significativos. Las tolerancias de diseo influyen de muchas maneras en la factibilidad de fabricacin del producto final; las tolerancias estrictas quiz necesiten pasos adicionales en el procesamiento o incluso provocan que la produccin de una parte sea econmicamente imprctica. Las tolerancias cubren la variacin dimensional y el intervalo de rugosidad superficial, as como la variacin de propiedades mecnicas que generan el tratamiento trmico y otras operaciones de procesamiento. Como las partes que tienen tolerancias amplias a menudo se producen por medio de mquinas con velocidades de produccin altas, los costos sern significativamente menores. Asimismo, se rechazarn menos partes en el proceso de inspeccin y a menudo sern ms fciles de ensamblar. En la figura 1-2 se presenta una grfica de costo contra tolerancia del proceso de manufactura, e ilustra el drstico incremento de los costos de manufactura a medida que disminuye la tolerancia con procesos de maquinado ms finos. Puntos de equilibrio Algunas veces sucede que, cuando se compara el costo de dos o ms enfoques de diseo, la eleccin entre ellos depende de un conjunto de condiciones como la cantidad de produccin, la velocidad en las lneas de ensamble o alguna otra condicin. As, se llega a un punto que corresponde a costos iguales, el cual se llama punto de equilibrio.01Budynas0001-026.indd 131/10/07 17:49:30 43. 14PARTE UNOFundamentosFigura 1-2Costos, %Costo contra tolerancia del proceso de maquinado. (De David G. Ullman. The Mechanical Design Process, 3a. ed., McGraw-Hill, Nueva York, 2003.)400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20Material: acero0.030 0.0150.0100.0050.0030.001 0.0005 0.000250.0630.025Tolerancias nominales (pulgadas) 0.750.500.500.1250.0120.006PulidoRectificadoTolerancia nominal (mm) Torneado gruesoTorneado Torneado semiter- terminado minadoOperaciones de maquinadoFigura 1-3140Un punto de equilibrio.Un punto de equilibrio120Costo, $100Torno automtico80 60 Torno manual40 20 00204060 Produccin80100Como ejemplo, considere una situacin en la cual una cierta parte se manufactura a la velocidad de 25 partes por hora en un torno automtico, o 10 partes por hora en un torno manual. Suponga tambin que el tiempo de preparacin del torno automtico es de 3 h y el costo de la mano de obra para cualquier mquina es de $20 por hora, incluyendo gastos generales. En la figura 1-3 se muestra una grfica del costo, en funcin de la produccin por medio de los dos mtodos. El punto de equilibrio corresponde a 50 partes. Si la produccin que se desea es mayor que 50 partes, se deber emplear la mquina automtica.01Budynas0001-026.indd 141/10/07 17:49:31 44. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica15Estimaciones de los costos Hay muchas formas de obtener las cifras relativas de los costos, de manera que dos o ms diseos se comparan aproximadamente. En algunos casos se requiere cierto criterio. Por ejemplo, se puede comparar el valor relativo de dos automviles mediante su costo monetario por unidad de peso. Otra manera de comparar el costo de un diseo con otro es simplemente mediante el conteo del nmero de partes. El diseo que tenga el nmero menor de partes tal vez cueste menos. Se utilizan muchos estimadores de costos, segn sea la aplicacin, como rea, volumen, potencia, par de torsin, capacidad, velocidad y diversas relaciones de desempeo.91-8Seguridad y responsabilidad legal del producto En Estados Unidos prevalece el concepto de la responsabilidad legal estricta, el cual dispone que el fabricante de un artculo es legalmente responsable por cualquier dao o perjuicio que provoque debido a un defecto. Y no importa si el fabricante saba acerca del defecto o incluso si no saba. Por ejemplo, suponga que un artculo se fabric, digamos, hace 10 aos y que en ese tiempo el artculo no se hubiera considerado defectuoso con base en el conocimiento tecnolgico disponible en ese entonces. Diez aos despus, de acuerdo con el concepto de responsabilidad legal estricta, el fabricante an conserva su responsabilidad. As, bajo este concepto, el demandante slo necesita demostrar que el artculo estaba defectuoso y que el defecto caus algn dao o perjuicio. No se necesita probar la negligencia del fabricante. Las mejores formas para prevenir la responsabilidad legal son la buena ingeniera del anlisis y el diseo, el control de calidad y los procedimientos exhaustivos de pruebas. Con frecuencia, los gerentes de publicidad incluyen promesas atractivas en las garantas y en la documentacin de venta de un producto. Tales enunciados deben ser analizados cuidadosamente por el personal del departamento de ingeniera para eliminar promesas excesivas e insertar advertencias adecuadas e instrucciones para el uso.1-9Esfuerzo y resistencia La supervivencia de muchos productos depende de la forma en que el diseador ajusta el esfuerzo inducido por la carga para que sea menor que la resistencia en un punto de inters. En resumen, debe permitir que la resistencia exceda al esfuerzo por un margen suficiente, de manera que a pesar de las incertidumbres, la falla no sea frecuente. Al enfocar la comparacin esfuerzo-resistencia en un punto crtico (controlada), a menudo se busca resistencia en la geometra y condicin de uso. Las resistencias son magnitudes de esfuerzos en los cuales ocurre algo de inters, como el lmite de proporcionalidad, la fluencia desplazada 0.2 por ciento, o la fractura. En muchos casos, estos sucesos representan el nivel de esfuerzo en el que ocurre la prdida de la funcin. La resistencia es una propiedad de un material o de un elemento mecnico. La resistencia de un elemento depende de la eleccin, el tratamiento y el procesamiento del material. Considere, por ejemplo, un embarque de resortes. Puede asociarse una resistencia con un resorte especfico. Cuando este resorte se incorpora a una mquina, se aplican fuerzas externas que provocan cargas inducidas en el resorte, las magnitudes de las cuales dependen de su geometra y son independientes del material y su procesamiento. Si el resorte se retira de la mquina sin dao alguno, el esfuerzo debido a las fuerzas externas disminuir a cero, su valor antes del9Para lograr una revisin general de la estimacin de costos de manufactura, vea el captulo 11 de Karl T. Ulrich y Steven D. Eppinger, Product Design and Development, 3a. ed., McGraw-Hill, Nueva York, 2004.01Budynas0001-026.indd 151/10/07 17:49:32 45. 16PARTE UNOFundamentosensamble, pero la resistencia permanece como una de las propiedades del resorte. Recuerde, entonces, que la resistencia es una propiedad inherente de una parte, una propiedad construida en la parte debido al empleo de un material y de un proceso particular. Varios procesos de trabajo en metales y tratamiento trmico, como el forjado, el laminado y el formado en fro, causan variaciones en la resistencia de punto a punto en toda la parte. Es muy probable que el resorte citado antes tenga una resistencia en el exterior de las espiras diferente a su resistencia en el interior, puesto que el resorte se ha formado mediante un proceso de enrollado en fro y los dos lados quiz no se hayan deformado en la misma medida. Por lo tanto, tambin recuerde que un valor de la resistencia dado para una parte se aplica slo a un punto particular o a un conjunto de puntos en la parte. En este libro se utilizar la letra mayscula S para denotar la resistencia, con los subndices apropiados para denotar la clase de resistencia. As, Ss es una resistencia a cortante, Sy una resistencia a la fluencia y Su una resistencia ltima. De acuerdo con la prctica aceptada, se emplearn las letras griegas (sigma) y (tau) para designar los esfuerzos normal y cortante, respectivamente. De nuevo, varios subndices indicarn alguna caracterstica especial. Por ejemplo, 1 es un esfuerzo principal, y un componente del esfuerzo en la direccin y, y r un componente del esfuerzo en la direccin radial. El esfuerzo es una propiedad de estado en un punto especfico dentro de un cuerpo, la cual es una funcin de la carga, la geometra, la temperatura y el proceso de manufactura. En un curso elemental de mecnica de materiales, se hace hincapi en el esfuerzo relacionado con la carga y la geometra con algn anlisis de los esfuerzos trmicos. Sin embargo, los esfuerzos debidos a los tratamientos trmicos, al moldeado, al ensamblaje, etc., tambin son importantes y en ocasiones no se toman en cuenta. En el captulo 3 se presenta una exposicin del anlisis de esfuerzos para estados de carga y geometra bsicos.1-10Incertidumbre En el diseo de maquinaria abundan las incertidumbres. Entre los ejemplos de incertidumbres concernientes al esfuerzo y la resistencia estn: La composicin del material y el efecto de las variaciones en las propiedades. Las variaciones de las propiedades de lugar a lugar dentro de una barra de material. El efecto del procesamiento local, o cercano, en las propiedades. El efecto de ensambles cercanos, como soldaduras y ajustes por contraccin, en las condiciones del esfuerzo. El efecto del tratamiento termomecnico en las propiedades. La intensidad y distribucin de las cargas. La validez de los modelos matemticos que se utilizan para representar la realidad. La intensidad de las concentraciones de esfuerzos. La influencia del tiempo sobre la resistencia y la geometra. El efecto de la corrosin. El efecto del desgaste. La incertidumbre respecto de la longitud de cualquier lista de incertidumbres. Los ingenieros deben adecuarse a la incertidumbre, pues sta siempre acompaa al cambio. Entre los aspectos que conciernen a los diseadores se pueden mencionar las propiedades de los materiales, la variabilidad de carga, la fidelidad de la fabricacin y la validez de los modelos matemticos. Existen mtodos matemticos para enfrentar las incertidumbres. Las tcnicas bsicas son los mtodos determinsticos y estocsticos. El mtodo determinstico establece un factor de01Budynas0001-026.indd 161/10/07 17:49:32 46. CAPTULO 1Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica17diseo basado en las incertidumbres absolutas de un parmetro de prdida de funcin y un parmetro mximo permisible. En ciertos casos el parmetro puede ser la carga, el esfuerzo, la deflexin, etc. Por lo tanto, el factor de diseo nd se define como nd =parmetro de prdida de funcin parmetro mximo permisible(1-1)Si el parmetro es la carga, entonces la carga mxima permisible puede encontrarse con Carga mxima permisible =carga de prdida de funcin nd(1-2)EJEMPLO 1-1Considere que la carga mxima sobre una estructura se conoce con una incertidumbre de 20 por ciento, y la carga que produce falla se conoce dentro de 15 por ciento. Si la carga que produce falla es nominalmente 2 000 lbf, determine el factor de diseo y la carga permisible mxima que compensar las incertidumbres absolutas.SolucinPara contar para esta incertidumbre, la carga de prdida de funcin debe incrementarse a 1/0.85, mientras que la carga mxima permisible debe disminuir a 1/1.2. As que para compensar las incertidumbres absolutas, el factor de diseo debe serRespuestand =1/0.85 = 1.4 1/1.2De la ecuacin