REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION SUPERIORINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICOSANTIAGO MARIOESCUELA DE INGENIERA CIVILNUCLEO BARCELONA

Diseos de los elementos sometodos a carga ESTATICA Y FATIGA

Profesor: Integrantes:Antonio Iriarte Ruth Jimnez C.I. 25.056.345.

Barcelona, 25 de febrero de 2015NDICE Introduccin 1 Pg. Desarrollo 2-12 pg. El diseo en ingeniera mecnica Fases del diseo Identificacin de necesidades y definicin del problema Evaluacin y presentacin Consideraciones o factores de diseo Anlisis de carga esttica Carga esttica flexin y torsin Fatiga Un ejemplo del anlisis de fatiga Consideraciones de rigidez Determinacin de la estabilidad Conclusin13 pg. Bibliografa14 pg.

IntroduccinTodo ejemplo de diseo siempre est sujeto a determinadas restricciones para su resolucin. Un problema de diseo no es un problema hipottico en absoluto. Todo diseo tiene un propsito concreto: la obtencin de un resultado final al que se llega mediante una accin determinada o por la creacin de algo que tiene realidad fsica. As bien, la resistencia de un elemento depende de la eleccin, el tratamiento y el proceso del material. Recurdese, entonces, que la resistencia tambin es una propiedad inherente de un elemento, bien sea sometido a cargas estticas o a fatiga. No obstante debemos considerar que las dimensiones de un eje es un problema mucho ms simple cuando solo actan cargas estticas que cuando las cargas son dinmicas. En cualquier eje rotatorio cargado por momentos estacionarios de flexin y torsin actuaran esfuerzos por flexin completamente invertida, pero el esfuerzo torsional permanecer estable.

DESARROLLOEl Diseo En Ingeniera MecnicaEl diseo mecnico es el diseo de objetos y sistemas de naturaleza mecnica; mquinas, aparatos, estructuras, dispositivos e instrumentos. En su mayor parte, el diseo mecnico hace uso de la matemtica, la ciencia de los materiales y la ciencia mecnica aplicada.El diseo de ingeniera mecnica incluye el diseo mecnico, pero es un estudio de mayor amplitud que abarca todas las disciplinas de la ingeniera mecnica, incluso las ciencias trmicas y de los fluidos. A parte de las ciencias fundamentales se requieren, las bases del diseo de ingeniera mecnica son las mismas que las del diseo mecnico y, por, consiguiente, tal es el enfoque que se utilizar en el presente texto.Fases Del DiseoEl proceso total de diseo es el temas de este captulo. Cmo empieza? Simplemente llega un ingeniero a su escritorio y se sienta ante una hoja de papel en blanco y se pone a escribir algunas ideas? Qu hace despus? Qu factores determinan o influyen en las decisiones que se deben tomar? Por ltimo, Cmo termina este proceso de diseo?Figura 1.1Reconocimiento de la NecesidadDefinicin del problemaSntesisAnlisis y optimizacin EvaluacinPresentacinA menudo se describe el proceso total de diseo- desde que empieza hasta que termina como se muestra en la figura 1. Principia con la identificacin de una necesidad y con una decisin de hacer algo al respecto. Despus de muchas iteraciones, el proceso finaliza con la presentacin de los planes para satisfacer tal necesidad. En las secciones siguientes se examinarn en detalle estos pasos del proceso de diseo. Identificacin De Necesidades Y Definicin De ProblemasA veces, pero no siempre, el diseo comienza cuando un ingeniero se da cuenta de una necesidad y decide hacer algo al respecto. Generalmente la necesidad no es evidente. Por ejemplo, la necesidad de hace algo con respecto a una mquina empacadora de alimentos pudiera detectarse por nivel de ruido, por la vibracin en el peso de los paquetes y por ligeras, pero perceptibles, alteraciones en la calidad del empaque o la envoltura.Hay una diferencia bien clara entre el planteamiento de la necesidad y la definiciones del problema que sigue a dicha expresin (fig. 1) el problema es ms especfico. Si la necesidad es tener aire ms limpio, el problema podra consistir en reducir la descarga de partculas slidas por las chimeneas de plantas de energa o reducir la cantidad de productos irritantes emitidos por los escapes de los automviles, o bien disponer de medios para apagar rpidamente los incendios forestales.Una vez que se han definido el problema y obtenido un conjunto de especificaciones implcitas, formuladas por escrito, el siguiente paso en el diseo como se indica en la figura 1 es la sntesis de una solucin ptima. Ahora bien, esta sntesis no podr efectuarse antes de hacer el anlisis y la optimizacin, puesto que se debe analizar el sistema a disear, para determinar si su funcionamiento cumplir las especificaciones. Dicho anlisis podra revelar que el sistema no es ptimo. Si el diseo no resultase satisfactorio en una de dichas pruebas o en ambas, el procedimiento de sntesis deber iniciarse otra vez.Se ha indicado, y se reiterar sucesivamente, que el diseo es un proceso iterativo en el que se pasa por varias etapas, se evalan los resultados y luego se vuelve a una fase anterior del proceso. En esta forma es posible sintetizar varios componentes de un sistema, analizarlos y optimizarlos para, despus, volver a la fase de sntesis y ver que efecto tiene sobre las adems partes del sistema. Para el anlisis y la optimizacin se requiere que se ideen o imaginen modelos abstractos del sistema que admitan alguna forma de anlisis matemtico. Tales modelos que reproduzcan lo mejor posible el sistema fsico real.Evaluacin y PresentacinComo se indica en la figura1, la evaluacin es una fase significativa del proceso total de diseo, pues es la demostracin definitiva de que un diseo es acertado y, generalmente, incluye pruebas con un prototipo en el laboratorio. En este punto es cuando se desea observar si el diseo satisface realmente la necesidad o las necesidades. Es confiable? Competir con xito contra productos semejantes? Es de fabricacin y uso econmicos? Es fcil de mantener y ajustar? Se obtendrn grandes ganancias por su venta o utilizacin?La comunicacin del diseo a otras personas es el paso final y vital en el proceso de diseo. Es indudable que muchos importantes diseos, inventos y obras creativas se has perdido para la humanidad, sencillamente porque los autores no quisieron o no fueron capaces de explicar sus creaciones a otras personas. La presentacin es un trabajo de venta. Cuando el ingeniero presenta o expone una nueva solucin al personal administrativo superior (directores o gerentes, por ejemplo) est tratando de vender o de demostrar que su solucin es la mejor; si no tiene xito en su presentacin, el tiempo y el esfuerzo empleados para obtener su diseo se habrn desperdiciado por completo.En esencia hay tres medios de comunicacin que se pueden utilizar: la forma escrita y oral, y la representacin grfica. En consecuencia, todo ingeniero con xito en su profesin tiene que ser tcnicamente competente y hbil al emplear las tres formas de comunicacin.

Consideraciones O Factores De Diseo A veces, la resistencia de un elemento es muy importante para determinar la configuracin geomtrica y las dimensiones que tendr dicho elemento, en tal caso se dice que la resistencia es un factor importante de diseo.La expresin factor de diseo significa alguna caracterstica o consideracin que influye en el diseo de algn elemento o, quiz, en todo el sistema. Por lo general se tiene que tomar en cuenta, varios de esos factores en un caso de diseo determinado. En ocasiones, alguno de esos factores ser crtico y, si se satisfacen sus condiciones, ya no ser necesario considerar los dems. Por ejemplo, suelen tenerse en cuenta los factores siguientes: Resistencia. Ruido Confiabilidad. Estabilizacin Propiedades trmicas. Forma Corrosin. Tamao Desgaste. Flexibilidad Friccin (o rozamiento). Control Procesamiento. Rigidez Utilidad. Acabado de Superficies Costo. Lubricacin Seguridad. Mantenimiento Peso. Volumen Duracin Responsabilidad legalAlgunos de estos factores se refieren directamente a las dimensiones, al material, al procesamiento o procesos de fabricacin o bien, a la unin o ensamble de los elementos del sistema. Otros se relacionan con la configuracin total del sistema.Anlisis de carga esttica generalidadesLa determinacin de las dimensiones de un eje es un problema mucho ms simple cuando solo actan cargas estticas que cuando las cargas son dinmicas. Y aun en este caso, es decir con cargas de fatiga, una estimacin preliminar de las dimensiones es necesaria muchas veces para lograr un buen inicio en la resolucin del problema.

Figura 18- 3

Cojinete de rodillos cnicos utilizados en un eje o husillo de segadora mecnica. Este diseo representa buena prctica en el caso de situaciones donde uno o ms elementos de transferencia de momento torsional deben ser montados por fuera.

Figura 18 4 Transmisor de engranes cnicos en la cual el pin y el engranaje estn montados en mnsula

Figura 18 5Disposiciones que muestran los aros interiores de cojinetes montados a presin sobre el eje, mientras los aros exteriores flotan en el alojamiento. El espacio libre axial debe ser suficiente solo para permitir variaciones de maquinado. Obsrvese el sello laberntico en el lado derecho.Figura 18 6Disposiciones similar a la figura 18 - 5, excepto que los aros de cojinetes exteriores estn precargados. Obsrvese el uso de calzas bajo la tapa de extremo.

Figura 18 7En esta disposicin el anillo interior del cojinete del lado izquierdo se fija al eje entre una tuerca y un escaln u hombro. La tuerca de seguridad y la arandela o rondana del eje son los estndares de AFBMA. El anillo elstico de cierre en el aro exterior sirve para ubicar definitivamente el conjunto del eje de direccin axial. Obsrvese el cojinete flotante del lado derecho, y las ranuras rebajadas formadas en el eje.

Carga esttica Flexin y torsin En muchos casos, la componente axial F en las ecuaciones (18 - 4) y (18 5) es nula o tan pequea que puede ser despreciada. Con = 0, las ecuaciones (18 - 4) y (18 5) se convierten en

Es mas fcil resolver estas ecuaciones para evaluar el dimetro que la ecuaciones (18 4) y (18 5)-Introduciendo los valores de los esfuerzos permisibles a partir de las ecuaciones (18 6) y (18 7), se obtiene que

Aplicando la teora del esfuerzo cortante mximo. Alternativamente, si se conoce el dimetro, el factor de seguridad se calcula por

Relaciones similares pueden obtenerse mediante la teora de la energa de distorsin. Los resultados correspondientes son

FatigaEn cualquier eje rotatorio cargado por momentos estacionarios de flexin y torsin actuaran esfuerzo de flexin completamente invertida, debido a la rotacin del rbol, pero el esfuerzo torsional permanecer estable. Utilizando el subndice a para sealar la amplitud de esfuerzo alternante y el m para esfuerzos de punto medio o esfuerzo estable,Estas dos componente componentes de esfuerzo se pueden manipular utilizando los crculos de Mohr por separado para cada una y aplicando la teora del esfuerzo cortante mximo o la teora de la energa de distorsin, a fin de obtener valores equivalentes valores equivalentes a los esfuerzos medio y alternante. Cuando se obtenido estos valores, puede seleccionarse una de las relaciones de falta que se muestran en el diagrama de fatiga 18 10 para anlisis o diseo. As pues, la interseccin de la lnea de carga con la relacin seleccionada establece los valores lmites de las componentes de esfuerzo.Un Ejemplo De Anlisis De FatigaEn este ejemplo de relacin de la resistencia con el tamao del eje, se opta por la teora del esfuerzo cortante mximo para pronosticar el esfuerzo de dao y la lnea de Goodman modificada para predecir la resistencia significativa. El anlisis se restringe al caso de flexin invertida y momento de torsin constante.La figura 18 -11a muestra un elemento de esfuerzo en la superficie de un eje redondo macizo cuya velocidad rotacional es , en radianes por segundo. Ahora supngase que un plano PQ pasa por la esquina superior derecha del elemento. Luego, abajo del plano PQ habr un elemento con forma de cua, como se muestra en la figura 18 11b. El ngulo que se ilustra en la figura es el ngulo entre el plano PQ y un plano horizontal. Se considerarn todos los valores posibles de para ver si se puede decidir o no cual ser para aquellos planos en que ocurre falla. Figura 18 12

Diagrama de fatiga que muestra cmo la lnea de esfuerzo seguro AB se traza paralela a la lnea de Goodman modificada, y tangente a la elipse.

La pendiente de una tangente en correspondencia con el ngulo () es la razn de la ecuacin (f) a la (e).

Consideraciones de rigidezMuchas de las secciones anteriores han tratado el problema de disear un eje que no tendr demasiado esforzamiento. Pero un eje as diseado puede an ser insatisfactorio debido a su carga de rigidez. Una rigidez insuficiente puede dar por resultado funcionamiento deficiente de los diversos elementos montados en un eje, como engranes, embragues, cojinetes y volantes.La deflexin angular en los cojinetes debe mantener dentro de los lmites prescritos para cojinetes. Lo captulos anteriores deben emplearse para asegurar que se cumplan estos lmites.Por ejemplos, si la deflexin lineal de ejes conectados con engranes es demasiado grande, la duracin de los engranes se acostara debido a las fuerzas de impacto adicionales que se produzcan durante el embonado o conexin y tambin debido al mayor desgaste de las superficies de los dientes. Los engranes montados en ejes con rigideces sern ms ruidosos tambin. El tema de la vibracin de un eje, que generalmente se estudia en la dinmica de mquinas, no incluye en este libro. La falta de rigidez en un eje produce vibracin torsional y lineal, cuyos efectos pueden manifestarse en muchas formas. La mquina no solo funcionara deficientemente, sino que tal funcionamiento puede afectar la calidad de los productos producidos por dicha mquina. Si es para el corte de metales el efecto advertir en los intervalos e tolerancia resultantes. Si se trata de una mquina para llenar envases farmacuticos, la vibracin puede originar variaciones en el contenido suministrado. Determinacin de la confiabilidadCuando cualquiera de los trminos que se combinan para constituir el esfuerzo, la resistencia, la deformacin lineal o angular o la rigidez de un eje son variables aleatorias, quiz convenga estimar la confiabilidad resultante. Esta evaluacin se realiza a partir de cualquier de los dos casos siguientes:

1.- un caso de resistencia limitada en la que un anlisis de interferencia se obtiene a partir del esfuerzo inducido por la carga en una localizacin critica con resistencia correspondiente.

2.- un caso de deformacin limitada es que el anlisis de interferencia se realiza a partir de la deformacin inducida por la carga en una seccin crtica con el valor lmite de la deformacin (distorsin o deflexin).

CONCLUSINEn las mquinas, la mayora de los elementos estn sometidos a esfuerzos variables, producidos por cargas y descargas sucesivas y repetidas. Los elementos sujetos a este tipo de esfuerzo se rompen o fallan, frecuentemente, para un valor de esfuerzo mucho menor que el de ruptura correspondiente, determinado mediante el clsico ensayo esttico de tensin. Este tipo de falla se denomina ruptura por fatiga. Para el diseo correcto de elementos sometidos en esfuerzos alternados, es necesario conocer el esfuerzo que puede aplicarse, sin que el elemento se rompa, un nmero indefinido de veces, o el esfuerzo (algo ms alto) que puede quedar aplicado a un cierto nmero limitado de veces, caso que es importante ya que a veces se disean mquinas o elementos que slo se utilizan ocasionalmente y que pueden tener, por tanto, una vida larga sin que el nmero de veces que se haya aplicado a las cargas sea demasiado grande.

BIBLIOGRAFA Autores: Joseph Edward Shigley, Chales R. Mischeke Titulo: Diseo en Ingeniera MecnicaIV edicin en EspaolEditorial: Mc Graw Hill