diseño en ingenieria mecanica shigley

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Material

Mdulo deelasticidad EMpsi GPa

Mdulo derigidez G

Mpsi GPaRelacin

de Poisson vPeso unitario w

lb/pulg3 lb/ft3 kN/m3

Constantes fsicas de materiales

Aluminio (todas las aleaciones)Cobre al berilioLatnAcero al carbonoFundicin de hierro (gris)CobreAbeto DouglasVidrioInconelPlomoMagnesioMolibdenoMetal MonelNquel plataAcero al niquelBronce fosforadoAcero inoxidable (18-8)

10.318.015.430.014.517.2

1.66.7

31.05.36.5

48.026.018.530.016.127.6

71.0124.0106.0207.0100.0119.0

11.046.2

214.036.544.8

331.0179.0127.0207.0111.0190.0

3.807.0

5.8211.56.0

6.490.62.7

11.01.92.4

17.09.57.0

11.56.0

10.6

26.248.340.179.341.444.74.1

18.675.813.116.5

117.065.548.379.341.473.1

0.3340.2850.3240.2920.2110.3260.33

0.2450.2900.4250.3500.3070.3200.3220.2910.3490.305

0.0980.2970.3090.2820.2600.3220.0160.0940.3070.4110.0650.3680.3190.3160.2800.2950.280

169513534487450556

28162530710112636551546484510484

26.680.683.876.570.687.3

4.325.483.3

111.517.6

100.086.685.876.080.176.0

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Diseo en ingeniera mecnica de Shigley

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Diseo en ingeniera mecnica de ShigleyOctava edicin

Richard G. BudynasProfesor emritoKate Gleason College of EngineeringRochester Institute of Technology

J. Keith NisbettProfesor asociado de Ingeniera MecnicaUniversidad de MissouriRolla

Revisin tcnica:

Miguel ngel Ros SnchezDepartamento de Ingeniera MecnicaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superioresde Monterrey, campus Estado de Mxico

MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN

MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO

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Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezEditora de desarrollo: Lorena Campa RojasSupervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

Traduccin: Jess Elmer Murrieta Murrieta Efrn Alatorre Miguel

DISEO EN INGENIERA MECNICA DE SHIGLEYOctava 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 porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edifi cio 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. 736

ISBN-10: 970-10-6404-6ISBN-13: 978-970-10-6404-7

Traducido de la octava edicin en ingls de la obra SHIGLEYS MECHANICAL ENGINEERING DESING, by RichardG. Budynas and J. Keith Nisbett. Copyright 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reservedISBN-13: 978-0-07-312193-2ISBN edicin anterior en espaol: 970-10-3646-8

1234567890 09765432108

Impreso en Mxico Printed in Mexico

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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 teni-do el placer de trabajar a travs de los aos.

Richard G. Budynas

A 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 Nisbett

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viii

Dedicatoria a Joseph Edward Shigley

Joseph 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 tie-nen 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 litera-tura 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.

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ix

Acerca de los autores

Richard 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 McGraw-Hill, 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 ense-anza 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.

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xContenido breve

Prefacio xvii

Parte 1 Fundamentos 2

1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 3

2 Materiales 27

3 Anlisis de carga y esfuerzo 67

4 De exin y rigidez 141

Parte 2 Prevencin de fallas 204

5 Fallas resultantes de carga esttica 205

6 Fallas por fatiga resultantes de carga variable 257

Parte 3 Diseo de elementos mecnicos 346

7 Ejes, echas y sus componentes 347

8 Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes 395

9 Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes 457

10 Resortes mecnicos 499

11 Cojinetes de contacto rodante 549

12 Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin 597

13 Engranes: descripcin general 653

14 Engranes rectos y helicoidales 713

15 Engranes cnicos y de tornillo sinfn 765

16 Embragues, frenos, coples y volantes 805

17 Elementos mecnicos exibles 859

18 Caso de estudio: transmisin de potencia 913

Parte 4 Herramientas de anlisis 932

19 Anlisis de elementos nitos 933

20 Consideraciones estadsticas 957

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Apndices

A Tablas tiles 983

B Respuestas a problemas seleccionados 1039

ndice 1044

Contenido breve xi

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xii

Contenido

Prefacio xvii

Parte 1 Fundamentos 2

1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 3

1-1 El diseo 4 1-2 El diseo en la ingeniera mecnica 5 1-3 Fases e interacciones del proceso de diseo 5 1-4 Herramientas y recursos de diseo 8 1-5 Responsabilidades profesionales del ingeniero de

diseo 10

1-6 Normas y cdigos 12 1-7 Economa 12 1-8 Seguridad y responsabilidad legal

del producto 15

1-9 Esfuerzo y resistencia 15 1-10 Incertidumbre 16 1-11 Factor de diseo y factor de seguridad 17 1-12 Confiabilidad 18 1-13 Dimensiones y tolerancias 19 1-14 Unidades 21 1-15 Clculos y cifras significativas 22 1-16 Especificaciones del estudio del caso

transmisin de potencia 23

Problemas 24

2 Materiales 27 2-1 Resistencia y rigidez del material 28 2-2 Significancia estadstica de las propiedades de los

materiales 32

2-3 Resistencia y trabajo en fro 33 2-4 Dureza 36 2-5 Propiedades de impacto 37 2-6 Efectos de la temperatura 39 2-7 Sistemas de numeracin 40 2-8 Fundicin en arena 41 2-9 Moldeado en cascarn 42

2-10 Fundicin de revestimiento 42 2-11 Proceso de metalurgia de polvos 42 2-12 Procesos de trabajo en caliente 43 2-13 Procesos de trabajo en fro 44 2-14 Tratamiento trmico del acero 44 2-15 Aceros aleados 47 2-16 Aceros resistentes a la corrosin 48 2-17 Materiales para fundicin 49 2-18 Metales no ferrosos 51 2-19 Plsticos 54 2-20 Materiales compuestos 55 2-21 Seleccin de materiales 56 Problemas 63

3 Anlisis de cargay esfuerzo 67

3-1 Equilibrio y diagramas de cuerpo libre 68 3-2 Fuerza cortante y momentos flexionantes en

vigas 71

3-3 Funciones de singularidad 73 3-4 Esfuerzo 75 3-5 Componentes cartesianos del esfuerzo 75 3-6 Crculo de Mohr del esfuerzo plano 76 3-7 Esfuerzo tridimensional general 82 3-8 Deformacin unitaria elstica 83 3-9 Esfuerzos uniformemente distribuidos 84 3-10 Esfuerzos normales para vigas en flexin 85 3-11 Esfuerzos cortantes para vigas en flexin 90 3-12 Torsin 95 3-13 Concentracin del esfuerzo 105 3-14 Esfuerzos en cilindros presurizados 107 3-15 Esfuerzos en anillos rotatorios 110 3-16 Ajustes a presin y por contraccin 110 3-17 Efectos de la temperatura 111 3-18 Vigas curvas en flexin 112 3-19 Esfuerzos de contacto 117 3-20 Resumen 121 Problemas 121

00BudyPre-i-xxvii.indd xii00BudyPre-i-xxvii.indd xii 16/10/07 09:53:1016/10/07 09:53:10

Contenido xiii

4 Deflexin y rigidez 141 4-1 Constantes de resorte 142 4-2 Tensin, compresin y torsin 143 4-3 Deflexin debida a flexin 144 4-4 Mtodos para calcular la deflexin en vigas 146 4-5 Clculo de la deflexin en vigas

por superposicin 147

4-6 Clculo de la deflexin de una viga por funciones de singularidad 150

4-7 Energa de deformacin 156 4-8 Teorema de Castigliano 158 4-9 Deflexin de elementos curvos 163 4-10 Problemas estticamente indeterminados 168 4-11 Elementos sometidos a compresin-general 173 4-12 Columnas largas con carga centrada 173 4-13 Columnas de longitud intermedia con carga

centrada 176

4-14 Columnas con carga excntrica 176 4-15 Puntales o elementos cortos sometidos a

compresin 180

4-16 Estabilidad elstica 182 4-17 Choque e impacto 183 4-18 Cargas aplicadas en forma sbita 184 Problemas 186

Parte 2 Prevencin de fallas 204

5 Fallas resultantes de carga esttica 205

5-1 Resistencia esttica 208 5-2 Concentracin del esfuerzo 209 5-3 Teoras de falla 211 5-4 Teora del esfuerzo cortante mximo para

materiales dctiles 211

5-5 Teora de la energa de distorsin para materiales dctiles 213

5-6 Teora de Mohr-Coulomb para materiales dctiles 219

5-7 Resumen de fallas para materiales dctiles 222 5-8 Teora del esfuerzo normal mximo para materiales

frgiles 226

5-9 Modificaciones a la teora de Mohr para materiales frgiles 227

5-10 Resumen de fallas de materiales frgiles 229 5-11 Seleccin de criterios de falla 230 5-12 Introduccin a la mecnica de la fractura 231

5-13 Anlisis estocstico 240 5-14 Ecuaciones de diseo importantes 246 Problemas 248

6 Fallas por fatiga resultantes de carga variable 257

6-1 Introduccin a la fatiga en metales 258 6-2 Enfoque de la falla por fatiga en el anlisis y el

diseo 264

6-3 Mtodos de la fatiga-vida 265 6-4 Mtodo del esfuerzo-vida 265 6-5 Mtodo de la deformacin-vida 268 6-6 Mtodo mecnico de la fractura lineal-

elstica 270

6-7 Lmite de resistencia a la fatiga 274 6-8 Resistencia a la fatiga 275 6-9 Factores que modifican el lmite de resistencia a la

fatiga 278

6-10 Concentracin del esfuerzo y sensibilidad a la muesca 287

6-11 Caracterizacin de esfuerzos fluctuantes 292 6-12 Criterios de la falla por fatiga ante esfuerzos

variables 295

6-13 Resistencia a la fatiga por torsin bajo esfuerzos fluctuantes 309

6-14 Combinaciones de modos de carga 309 6-15 Esfuerzos variables y fluctuantes; dao por fatiga

acumulada 313

6-16 Resistencia a la fatiga superficial 319 6-17 Anlisis estocstico 322 6-18 Resumen de ecuaciones de diseo importantes para

el mtodo del esfuerzo-vida 336

Problemas 340

Parte 3 Diseo de elementos mecnicos 346

7 Ejes, flechas y sus componentes 347

7-1 Introduccin 348 7-2 Materiales para fabricar ejes 348 7-3 Configuracin del eje 349 7-4 Diseo de ejes para el esfuerzo 354 7-5 Consideraciones sobre deflexin 367 7-6 Velocidades crticas de ejes 371 7-7 Componentes diversos de los ejes 376 7-8 Lmites y ajustes 383 Problemas 388

00BudyPre-i-xxvii.indd xiii00BudyPre-i-xxvii.indd xiii 16/10/07 09:53:1116/10/07 09:53:11

8 Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes 395

8-1 Normas y definiciones de roscas 396 8-2 Mecnica de los tornillos de potencia 400 8-3 Sujetadores roscados 408 8-4 Uniones: rigidez del sujetador 410 8-5 Uniones: rigidez del elemento 413 8-6 Resistencia del perno 417 8-7 Uniones a tensin: la carga externa 421 8-8 Relacin del par de torsin del perno con la tensin

del perno 422

8-9 Uniones a tensin cargada en forma esttica con precarga 425

8-10 Uniones con empaque 429 8-11 Carga por fatiga de uniones a tensin 429 8-12 Uniones con pernos y remaches cargadas en

cortante 435

Problemas 443

9 Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes 457

9-1 Smbolos de soldadura 458 9-2 Soldaduras a tope y de filete 460 9-3 Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a

torsin 464

9-4 Esfuerzos en uniones soldadas sujetas a flexin 469

9-5 Resistencia de las uniones soldadas 471 9-6 Carga esttica 474 9-7 Carga por fatiga 478 9-8 Soldadura por resistencia 480 9-9 Uniones con adhesivo 480 Problemas 489

10 Resortes mecnicos 499 10-1 Esfuerzos en resortes helicoidales 500 10-2 Efecto de curvatura 501 10-3 Deflexin de resortes helicoidales 502 10-4 Resortes de compresin 502 10-5 Estabilidad 504 10-6 Materiales para resortes 505 10-7 Diseo de resortes helicoidales de compresin para

servicio esttico 510

10-8 Frecuencia crtica de resortes helicoidales 516

10-9 Carga por fatiga de resortes helicoidales a compresin 518

10-10 Diseo de un resorte helicoidal de compresin para carga por fatiga 521

10-11 Resortes de extensin 524 10-12 Resortes de espiras helicoidales de torsin 532 10-13 Resortes Belleville 539 10-14 Resortes diversos 540 10-15 Resumen 542 Problemas 542

11 Cojinetes de contacto rodante 549

11-1 Tipos de cojinetes 550 11-2 Vida de los cojinetes 553 11-3 Efecto carga-vida del cojinete a confiabilidad

nominal 554

11-4 Supervivencia del cojinete: confiabilidad contra vida 555

11-5 Relacin carga-vida-confiabilidad 557 11-6 Cargas combinadas, radial y de empuje 559 11-7 Carga variable 564 11-8 Seleccin de cojinetes de bolas y de rodillos

cilndricos 568

11-9 Seleccin de cojinetes de rodillos cnicos 571 11-10 Evaluacin del diseo de cojinetes de contacto

rodante seleccionados 582

11-11 Lubricacin 586 11-12 Montaje y alojamiento 587 Problemas 591

12 Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin 597

12-1 Tipos de lubricacin 598 12-2 Viscosidad 599 12-3 Ecuacin de Petroff 601 12-4 Lubricacin estable 603 12-5 Lubricacin de pelcula gruesa 604 12-6 Teora hidrodinmica 605 12-7 Consideraciones de diseo 609 12-8 Relaciones entre las variables 611 12-9 Condiciones de estado estable en cojinetes

autocontenidos 625

12-10 Holgura 628 12-11 Cojinetes con lubricacin a presin 630 12-12 Cargas y materiales 636

xiv Contenido

00BudyPre-i-xxvii.indd xiv00BudyPre-i-xxvii.indd xiv 16/10/07 09:53:1216/10/07 09:53:12

12-13 Tipos de cojinetes 638 12-14 Cojinetes de empuje 639 12-15 Cojinetes de lubricacin lmite 640 Problemas 649

13 Engranes: descripcin general 653

13-1 Tipos de engranes 654 13-2 Nomenclatura 655 13-3 Accin conjugada 657 13-4 Propiedades de la involuta 658 13-5 Fundamentos 658 13-6 Relacin de contacto 664 13-7 Interferencia 665 13-8 Formacin de dientes de engranes 667 13-9 Engranes cnicos rectos 670 13-10 Engranes helicoidales paralelos 671 13-11 Engranes de tornillo sinfn 675 13-12 Sistemas de dientes 676 13-13 Trenes de engranes 678 13-14 Anlisis de fuerzas: engranes rectos 685 13-15 Anlisis de fuerzas: engranes cnicos 689 13-16 Anlisis de fuerzas: engranes helicoidales 692 13-17 Anlisis de fuerzas: engranes de tornillo

sinfn 694

Problemas 700

14 Engranes rectos y helicoidales 713

14-1 Ecuacin de flexin de Lewis 714 14-2 Durabilidad de la superficie 723 14-3 Ecuaciones del esfuerzo AGMA 725 14-4 Ecuaciones de resistencia AGMA 727 14-5 Factores geomtricos I y J (ZI y YJ) 731 14-6 Coeficiente elstico Cp (ZE) 736 14-7 Factor dinmico Kv 736 14-8 Factor de sobrecarga Ko 738 14-9 Factores de la condicin superficial

Cf (ZR) 738

14-10 Factor de tamao Ks 739 14-11 Factor de distribucin de la carga

Km (KH) 739

14-12 Factor de relacin de la dureza CH 741 14-13 Factores de los ciclos de esfuerzos

YN y ZN 742

14-14 Factor de confiabilidad KR (YZ) 743

14-15 Factor de temperatura KT (Y ) 744 14-16 Factor de espesor del aro KB 744 14-17 Factores de seguridad SF y SH 745 14-18 Anlisis 745 14-19 Diseo de un acoplamiento de engranes 755 Problemas 760

15 Engranes cnicos y de tornillo sinfn 765

15-1 Engranes cnicos: descripcin general 766 15-2 Esfuerzos y resistencias en engranes cnicos 768 15-3 Factores de la ecuacin AGMA 771 15-4 Anlisis de engranes cnicos rectos 783 15-5 Diseo de un acoplamiento de engranes cnicos

rectos 786

15-6 Engranes de tornillo sinfn: ecuacin AGMA 789 15-7 Anlisis de un engrane de tornillo sinfn 793 15-8 Diseo del acoplamiento de un engrane y un

tornillo sinfn 797

15-9 Carga del desgaste de Buckingham 800 Problemas 801

16 Embragues, frenos, coples y volantes 805

16-1 Anlisis esttico de embragues y frenos 807 16-2 Embragues y frenos de tambor de expansin

interna 812

16-3 Embragues y frenos de contraccin externa 820 16-4 Embragues y frenos de banda 824 16-5 Embragues axiales de friccin por contacto 825 16-6 Frenos de disco 829 16-7 Embragues y frenos cnicos 833 16-8 Consideraciones sobre energa 836 16-9 Aumento de temperatura 837 16-10 Materiales de friccin 841 16-11 Otros tipos de embragues y coples 844 16-12 Volantes de inercia 846 Problemas 851

17 Elementos mecnicos flexibles 859

17-1 Bandas 860 17-2 Transmisiones de banda plana o redonda 863 17-3 Bandas en V 878 17-4 Bandas de sincronizacin 886 17-5 Cadenas de rodillos 887

Contenido xv

00BudyPre-i-xxvii.indd xv00BudyPre-i-xxvii.indd xv 16/10/07 09:53:1316/10/07 09:53:13

17-6 Cables metlicos 896 17-7 Ejes flexibles 904 Problemas 905

18 Caso de estudio: transmisin de potencia 913

18-1 Secuencia de diseo para transmisin de potencia 915

18-2 Requisitos de potencia y par de torsin 916 18-3 Especificaciones de engranes 916 18-4 Diseo del eje 923 18-5 Anlisis de fuerzas 925 18-6 Seleccin del material del eje 925 18-7 Diseo del eje para esfuerzos 926 18-8 Diseo del eje para deflexin 926 18-9 Seleccin de cojinetes 927 18-10 Seleccin de cua y anillo de retencin 928 18-11 Anlisis final 931 Problemas 931

Parte 4 Herramientas de anlisis 932

19 Anlisis de elementos finitos 933

19-1 Mtodo del elemento finito 935 19-2 Geometras del elemento 937 19-3 Proceso de solucin del elemento finito 939

19-4 Generacin de malla 942 19-5 Aplicacin de carga 944 19-6 Condiciones de frontera 945 19-7 Tcnicas de modelado 946 19-8 Esfuerzos trmicos 949 19-9 Carga de pandeo crtica 949 19-10 Anlisis de vibracin 951 19-11 Resumen 952 Problemas 954

20 Consideraciones estadsticas 957

20-1 Variables aleatorias 958 20-2 Media aritmtica, variancia y desviacin

estndar 960

20-3 Distribuciones de probabilidad 965 20-4 Propagacin del error 972 20-5 Regresin lineal 974 Problemas 977

Apndices

A Tablas tiles 983 B Respuestas a problemas

seleccionados 1039

ndice 1044

xvi Contenido

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Prefacio

ObjetivosEste libro se escribi para estudiantes que inician su estudio del diseo en ingeniera mec-nica. 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 estu-diantes 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 edicinLa 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 termi-nologa, 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.

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xviii Prefacio

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 termi-nacin. 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 perfeccionn-dose para enfocarse en la presentacin directa del desarrollo del concepto y un procedi-miento de diseo que sea claro para los estudiantes.

Cambios y reorganizacin del contenidoEn 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 esta-dsticas. 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 continua-cin se describe la nueva organizacin, y se hacen comentarios breves sobre los cambios en el contenido.

Parte 1: FundamentosEn 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 fallasEsta 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 im-portantes al final del captulo.

Captulo 6, Fallas resultantes por carga variable. Se depur el material confuso sobre la ob-tencin y el uso del diagrama S-N. Se condensan los mltiples mtodos para obtener la sen-sibilidad a la muesca. Se rescribi la seccin sobre combinacin de cargas para obtener una

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Prefacio xix

mayor 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 mecnicosEn 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 sec-cin. 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 com-ponentes. 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 unio-nes 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 en-granes. 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 re-troalimentacin 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 anlisisEn 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.

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xx Prefacio

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 proce-so de diseo de mquinas. Este captulo deber revisarse cuando se estudien las secciones 5-13, 6-17 o el captulo 11.

Materiales de apoyoEsta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseanza-aprendizaje, 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.

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Reconocimientos

Los autores desean reconocer a los mltiples revisores cuya retroalimentacin ha contribuido al xito de esta nueva edicin de Diseo en Ingeniera Mecnica de Shigley:

RevisoresOm P. Agrawal, Southern Illinois UniversityStanton C. Apple, Arkansas Tech UniversityAra Arabyan, University of ArizonaNagaraj Arakere, University of FloridaEric Austin, Clemson UniversityHaim Baruh, Rutgers UniversityAbdel Bayoumi, University of South CarolinaHenry R. Busby, The Ohio State UniversityLarry W. Carpenter, Bradley UniversityTsuchin Chu, Southern Illinois UniversityMasood Ebrahimi, Virginia State UniversityRaghu Echempati, Kettering UniversityKambiz Farhang, Southern Illinois UniversityTony Farquhar, University of Maryland-Baltimore CountyForrest Flocker, Tri-State University, Angola, IndianaJ. Earl Foster, University of Illinois-ChicagoPaul E. Funk, University of EvansvilleMax Gassman, Iowa State UniversityJenn-Terng Gau, Northern Illinois UniversitySlade Gellin, Buffalo State UniversityJon S. Gerhardt, University of AkronJ. Darrell Gibson, Rose-Hulman Institute of TechnologyJames Glancey, University of DelawareVladimir Glozman, California State Polytechnic University-PomonaItzhak Green, Georgia Institute of TechnologyThomas R. Grimm, Michigan Tech UniversityKarl H. Grote, California State University, Long BeachA.H. Hagedoorn, University of Central FloridaMohamed Samir Hefzy, University of ToledoMichael Histand, Colorado State UniversityDennis W. Hong, Virginia TechVinod K. Jain, University of DaytonDuane Jardine, University of New OrleansRichard F. Johnson, Montana College of Mineral Science & TechnologyE. William Jones, Mississippi State UniversityZella L. Kahn-Jetter, Manhattan CollegeFrank Kelso, University of MinnesotaMichael R. Kendall, St. Martins UniversityVictor Kosmopoulos, The College of New JerseyJohn D. Landes, University of TennesseeDavid Lascurain, Pensacola Christian College

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xxii Reconocimientos

Michael Latcha, Oakland UniversityJohn Lee, McGill UniversityChi-Wook Lee, University of the Pacifi cSteven Y. Liang, Georgia Institute of TechnologyLiwei Lin, University of California at BerkeleyJohn Leland, University of Nevada RenoKemper Lewis. SUNY BuffaloKerr-Jia Lu. George Washington UniversityStan Lukowski, University of Wisconsin-PlattevilleMichael Magill, George Fox UniversityAjay Mahajan, Southern Illinois UniversityEnayat Mahajerin, Saginaw Valley State UniversityRonald Mann, University of South FloridaNoah Manring, University of MissouriDan Marghitu, Auburn UniversityRoy McGrann, Binghamton UniversityDavid McStravick, Rice UniversityMorteza M. Mehrabadi, Tulane UniversityPeter Mente, North Carolina State UniversityClint Morrow, Florida Institute of TechnologyWalied Moussa, University of AlbertaJoe Musto, Milwaukee School of EngineeringByron L. Newberry, Oklahoma Christian UniversityEfstratios Nikolaidis, University of ToledoEdwin M. Odom, University of IdahoMarcia K. OMalley, Rice UniversityRobert Paasch, Oregon State UniversityStephen J. Piazza, Penn State UniversityHeidi-Lynn Ploeg, University of WisconsinRamamurthy Prabhakaran, Old Dominion UniversityWilliam Pratt. Southern Utah UniversityGovindappa Puttaiah, West Virginia University Institute of TechnologyHamid Rad, Washington State University-VancouverM. K. Ramasubramanian, North Carolina State UniversityMichael Raulli, Villanova UniversityHassan Rejali, California State University, PomonaMichael Rider, Ohio Northern UniversityJohn Ridgely, California Polytechnic State University, San Luis ObispoDon Riley, Walla Walla CollegeJames R. Rinderle, University of Massachusetts-AmherstGreg Rohrauer, University of WindsorAli Sadegh, The City College of New YorkAkhtar Safder, Bluefi eld State CollegeIgor Sevostianov, New Mexico State UniversityPaul S. Sherman, Arkansas State UniversityAndres Soom, SUNY BuffaloJ.K. Spelt, University of TorontoJohn P. H. Steele, Colorado School of MinesJohn Steffen, Valparaiso UniversityB.J. Stephens, University of Alabama-BirminghamMichael Strange, San Francisco State UniversityRobert Sturges, Virginia Polytechnic InstituteJoshua D. Summers, Clemson UniversityGreg Thompson, West Virginia University

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Reconocimientos xxiii

Horacio Vasquez, The University of Texas-Pan AmericanHarold Walling, New Mexico Institute of Mining & TechnologyM A Wahab, Louisiana State UniversityWayne Whaley, Oklahoma Christian UniversityX.J. Xin, Kansas State UniversityMaria Yang, University of Southern CaliforniaSteve Yurgartis, Clarkson UniversityWayne Zemke, California State University-PomonaJiaxin Zhao, Indiana Univeristy-Purdue University Fort WayneMohammed 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 MxicoArturo Aguirre, Universidad Popular Autnoma del Estado de PueblaRosendo Reyes Rosales, Universidad La Salle, Ciudad de Mxico

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Lista de smbolos

sta 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 superndi-ces, 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 rea, coeficienteA Variable de reaa Distancia, constante de regresin a Estimacin de la constante de regresina Variable de distanciaB CoeficienteBhn Dureza BrinellB Variableb Distancia, parmetro de forma de Weibull, nmero de intervalo, constante de

regresin, anchob Estimacin de la constante de regresinb Variable de distanciaC Capacidad de carga bsica, constante de junta atornillada, distancia entre ejes,

coeficiente de variacin, condicin de extremo de columna, factor de correc-cin, capacidad del calor especfico, ndice de resorte

c Distancia, amortiguamiento viscoso, coeficiente de velocidadFDA Funcin de distribucin acumuladaCDV Coeficiente de variacinc Variable de distanciaD Dimetro de la hliced Dimetro, distanciaE Mdulo de elasticidad, energa, errore Distancia, excentricidad, eficiencia, base logartmica neperianaF Fuerza, dimensin fundamental de la fuerzaf Coeficiente de friccin, frecuencia, funcincdm Cifra de mritoG Mdulo de elasticidad en torsing Aceleracin debida a la gravedad, funcinH Calor, potenciaHB Dureza BrinellHRC Dureza Rockwell escala Ch Distancia, espesor de pelculaCR Coeficiente global combinado de transferencia de calor por conveccin y

radiacinI Integral, impulso lineal, momento de inercia de la masa, segundo momento del

rea

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xxvi Lista de smbolos

i ndicei Vector unitario en la direccin xJ Equivalente mecnico del calor, segundo momento polar del rea, factor

geomtricoj Vector unitario en la direccin yK Factor de servicio, factor de concentracin del esfuerzo, factor de aumento del

esfuerzo, coeficiente de par de torsink Factor de modificacin del lmite de fatiga de Marin, relacin de resortek Variable k, vector unitario en la direccin zL Longitud, vida, dimensin fundamental de la longitudLN Distribucin log-normall LongitudM Dimensin fundamental de la masa, momentoM Vector del momento, variacin del momentom Masa, pendiente, exponente de endurecimiento por deformacinN Fuerza normal, nmero, velocidad rotacionalN Distribucin normaln Factor de carga, velocidad rotacional, factor de seguridadnd Factor de diseoP Fuerza, presinFDP Funcin de densidad de la probabilidadp Paso, presin, probabilidadQ Primer momento del rea, fuerza imaginaria, volumenq Carga distribuida, sensibilidad a la muescaR Radio, fuerza de reaccin, confiabilidad, dureza Rockwell, relacin de esfuerzoR Vector fuerza de reaccinr Coeficiente de correlacin, radior Vector distanciaS Nmero de Sommerfeid, resistenciaS Variable Ss Distancia, desviacin estndar de la muestra, esfuerzoT Temperatura, tolerancia, par de torsin, dimensin fundamental del tiempoT Vector del par de torsin, variacin del par de torsint Distancia, estadstico t de Student, tiempo, toleranciaU Energa de deformacinU Distribucin uniformeu Energa de deformacin por unidad de volumenV Velocidad lineal, fuerza cortantev Velocidad linealW Factor de trabajo en fro, carga, pesoW Distribucin Weibull w Distancia, separacin, intensidad de cargaw Vector distanciaX Coordenada, nmero redondeadox Coordenada, valor real de un nmero, parmetro Weibullx variacin de xY Coordenaday Coordenada, deflexiny Variable yZ Coordenada, mdulo de seccin, viscosidadz Desviacin estndar de la distribucin normal unitariaz Variable z

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Lista de smbolos xxvii

Coeficiente, 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 MisesS Variable del esfuerzo normal Desviacin estndar Esfuerzo cortante Variable del esfuerzo cortante ngulo, parmetro caracterstico de Weibull Costo por peso unitario$ Costo

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CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 1

Diseo en ingeniera mecnica de Shigley

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2 PARTE UNO Fundamentos

PARTE1Fundamentos



3

Panorama del captulo

1-1 El diseo 4

1-2 El diseo en la ingeniera mecnica 5

1-3 Fases e interacciones del proceso de diseo 5

1-4 Herramientas y recursos de diseo 8

1-5 Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseo 10

1-6 Normas y cdigos 12

1-7 Economa 12

1-8 Seguridad y responsabilidad legal del producto 15

1-9 Esfuerzo y resistencia 15

1-10 Incertidumbre 16

1-11 Factor de diseo y factor de seguridad 17

1-12 Confiabilidad 18

1-13 Dimensiones y tolerancias 19

1-14 Unidades 21

1-15 Clculos y cifras significativas 22

1-16 Especificaciones del estudio del caso transmisin de potencia 23

1Introduccin al diseoen la ingeniera mecnica



El diseo mecnico es una tarea compleja que requiere muchas habilidades. Es necesario sub-dividir 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. Exis-ten 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 cul-tivar 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 enfo-ques 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, par-tes 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 impor-tantes 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 referen-ciadas a lo largo del texto. El apndice B presenta las respuestas a algunos de los problemas que se encuentran al final de los captulos.

1-1 El diseoDisear 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 funcio-nal, 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 con-tradictoria. Algunas veces las decisiones se toman de manera tentativa, por lo cual es conve-niente reservarse el derecho de hacer ajustes a medida que se obtengan ms datos. Lo impor-tante es que el diseador en ingeniera debe sentirse personalmente cmodo cuando ejerce la funcin de toma de decisiones y de resolucin de problemas.



El 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.

1-2 El diseo en la ingeniera mecnicaLos 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 involu-cran flujo de fluidos, transferencia de calor, friccin, transporte de energa, seleccin de ma-teriales, tratamientos termomecnicos, descripciones estadsticas, etc. La construccin debe respetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefaccin, ventilacin y de acondicio-namiento 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 dise-o de motores de combustin interna, de turbo-maquinaria y de motores de reaccin se con-sideran 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.

1-3 Fases e interacciones del proceso de diseoQu 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 sa-tisfacer 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-



cunstancias 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 pro-blema. 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 dise-ador 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 signi-fica 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 cuantificarse

Reconocimientode la necesidad

Definicin del problema

Sntesis

Anlisis y optimizacin

Evaluacin

Presentacin

Iteracin

Figura 1-1

Fases del proceso de diseo que reconocen mltiples retroalimentacionese iteraciones.



en 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 satisfac-torio, 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 compa-ran 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 com-ponen (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 senci-llez 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.

1 En 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.



Consideraciones de diseoAlgunas veces la resistencia que requiere un elemento de un sistema significa un factor im-portante para determinar su geometra y dimensiones. En esa situacin se dice que la resisten-cia 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 caracte-rsticas en una situacin de diseo dada. Entre las ms importantes se pueden mencionar (no necesariamente en orden de importancia):

1 Funcionalidad 14 Ruido 2 Resistencia/esfuerzo 15 Estilo 3 Distorsin/deflexin/rigidez 16 Forma 4 Desgaste 17 Tamao 5 Corrosin 18 Control 6 Seguridad 19 Propiedades trmicas 7 Confiabilidad 20 Superficie 8 Manufacturabilidad 21 Lubricacin 9 Utilidad 22 Comercializacin 10 Costo 23 Mantenimiento 11 Friccin 24 Volumen 12 Peso 25 Responsabilidad legal 13 Vida 26 Capacidad de reciclado/ recuperacin de recursos

Algunas de estas propiedades se relacionan de manera directa con las dimensiones, el mate-rial, el procesamiento y la unin de los elementos del sistema. Algunas caractersticas pueden estar interrelacionadas, lo que afecta la configuracin del sistema total.

1-4 Herramientas y recursos de diseoEn 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 pa-quetes robustos de software proporcionan herramientas de gran capacidad para disear, ana-lizar 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 pue-den 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 computacionalesEl 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 convenciona-les 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 pun-tos. Existe una gran cantidad de software de CAD disponible como Aries, AutoCAD, CadKey,I-Deas, Unigraphics, Solid Works y ProEngineer, slo por mencionar algunos.

2 En el captulo 4 de George E. Dieter, Engineering Design. A Materials and Processing Approach, 3a. ed., McGraw-Hill, Nueva York, 2000, puede encontrarse un excelente y comprensible anlisis del proceso de recoleccin de informacin.



El 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 rea-lizan 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. Al-gunos 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 inge-niera pueden mencionarse los programas para el procesamiento de palabras, las hojas de clcu lo (por ejemplo, Excel, Lotus y Quattro-Pro), y solucionadores matemticos (por ejem-plo, 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 pen-samiento 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 cono-cidas, y monitorear las noticias de la compaa de software y de los grupos de usuarios.

Adquisicin de informacin tcnicaEn 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 recur-sos 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 inge-niera, 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 norteamerica-na de pruebas y materiales, y la Sociedad norteamericana de soldadura.

Vendedores comerciales. Catlogos, literatura tcnica, datos de prueba, muestras e infor-macin de costos.

Internet. La puerta de entrada a la red de computadoras con sitios asociados con la mayora de las categoras mencionadas anteriormente.3

3 Recursos tiles en la red, para mencionar algunos, son www.globalspec.com, www.engnetglobal.com, www.efun-da.com, www.thomasnet.com y www.uspto.gov



La anterior no es una lista completa. Se recomienda al lector explorar las diferentes fuen-tes de informacin de manera regular y mantener registros del conocimiento que obtenga.

1-5 Responsabilidades profesionalesdel ingeniero de diseoEn general, el ingeniero de diseo debe satisfacer las necesidades de los usuarios (la administra-cin, clientes, consumidores, etc.) y se espera que lo haga de una manera competente, responsa-ble, 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 ti-ca 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 mejo-ramiento 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 referen-tes 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 per-sonas, 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 ingenie-ros 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 tcni-cos, 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 sist-mico. 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 pro-ceso 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 de



cuerpo libre; propiedades de materiales de las tablas; ecuaciones de los principios bsicos, libros de texto o manuales que relacionan los parmetros conocidos y desconocidos; grfi-cas 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 supues-tos, 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 Es-tadounidense 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 reunio-nes, 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 In-genieros Profesionales (National Society of Professional Engineers, NSPE):4

Como ingeniero dedico mis conocimientos y destrezas profesionales al avance y mejo-ramiento 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 bene-

ficio personal y el bienestar pblico a todas las dems consideraciones.Con humildad y pidiendo orientacin divina, hago esta promesa.

4 Adoptado 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.pdf



1-6 Normas y cdigosUna 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 im-portantes 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 im-plican 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 es-pecificaciones 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)

1-7 EconomaLa 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.

5 En 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.6 Formalmente American Society for Metals (ASM). En la actualidad, el acrnimo ASM carece de definicin.7 En 1993 la Anti-Friction Bearing Manufacturers Association (AFBMA) cambi su nombre al de American Bearing Manufacturers Association (ABMA).8 Anteriormente National Bureau of Standards (NBS).



Primero, 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 estndarLa 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 recomen-dables. 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 ac-ceso 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 ha-cer 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 ampliasEntre los efectos de las especificaciones de diseo sobre los costos, tal vez los de las tole-rancias 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 tra-tamiento trmico y otras operaciones de procesamiento.

Como las partes que tienen tolerancias amplias a menudo se producen por medio de m-quinas con velocidades de produccin altas, los costos sern significativamente menores. Asi-mismo, 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 equilibrioAlgunas 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.



Como 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 ma-nual. 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.

Figura 1-2

Costo contra tolerancia del proceso de maquinado.(De David G. Ullman. The Mechanical Design Process, 3a. ed., McGraw-Hill,Nueva York, 2003.)

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

Torneado gruesoTorneadosemiter-minado

Torneadoterminado

PulidoRecti-ficado

Operaciones de maquinado

Material: acero

Cos

tos,

%

Tolerancias nominales (pulgadas)

Tolerancia nominal (mm)

0.030 0.015 0.010 0.005 0.003 0.001 0.0005 0.00025

0.75 0.50 0.50 0.125 0.063 0.025 0.012 0.006

Figura 1-3

Un punto de equilibrio.

00 20 40 60 80 100

20

40

60

80

100

120

140

Un punto de equilibrio

Tornoautomtico

Torno manual

Produccin

Cos

to, $



Estimaciones de los costosHay muchas formas de obtener las cifras relativas de los costos, de manera que dos o ms di-seos se comparan aproximadamente. En algunos casos se requiere cierto criterio. Por ejem-plo, 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 des-empeo.9

1-8 Seguridad y responsabilidad legaldel productoEn 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 negligen