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domingo, 20 de noviembre de 2016

Tecnologia de los Materiales



Pasos Del Proceso De Diseño:

· Diseño Preliminar

- Planteamiento inicial de la necesidad.

- Revisión del estado del arte del problema.

- Recolección de datos cuantitativos y cualitativos.

- Definición del problema.


· Diseño Básico

- División en subsistemas.

- Planteamiento de alternativas de solución de subsistemas.

- Selección de alternativas de solución.

- Integración de subsistemas.

· Diseño De Detalle

- Selección de elementos comerciales.

- Síntesis y análisis de piezas manufacturadas.

- Integración de elementos y subsistemas.

- Planos de ensamble y de taller.

· Prototipos & Pruebas

- Prototipos: virtuales (CAD 3D, CAE, CAM) y reales.

- Pruebas estáticas y dinámicas.

- Retroalimentación. · Diseño Definitivo

- Planos definitivos: detalle, taller, ensamble y explosión.

- Diseño de detalles estéticos y especificación de acabados.

- Construcción de la pieza en serie. · Comunicación

- Bitácora de diseño. - Memorias de cálculo y planos.

- Manuales de instalación, operación y mantenimiento.

- Patente y registro comercial.

- Catálogos comerciales.


                                       MATERIALES:

Los materiales de uso corriente en Ingeniería se pueden clasificar en dos grandes grupos, a saber:






Aleaciones ferrosas

Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en: Aceros y fundiciones de hierro (hierros colados). Los aceros dependiendo de su contenido de carbono y de otros elementos de aleación se clasifican en:

- Aceros simples

- Aceros aleados

- Aceros alta aleación Los aceros simples se pueden definir así.

- Aleación hierro con carbono con un contenido de éste último en el rango de 0.02 hasta el 2% con pequeñas cantidades de otros elementos que se consideran como impurezas tales como P, S, Mn, Cu, Si, etc. Los aceros simples se clasifican de acuerdo a su contenido de carbono en :

- Aceros de bajo carbono

- Aceros de medio carbono y

- Aceros de alto carbono

Cada uno de los grupos anteriores tienen características bien definidas como se muestra a continuación:

Aceros de bajo carbono (0.02˂%C ˂0.3)

- Son dúctiles – Soldables

- No se pueden tratar térmicamente

- Poseen una resistencia mecánica moderada

- Maquinables – Baratos

Aceros de medio carbono (0.3 ˂%C ˂0.65)

- Son templables (Se pueden someter a temple y revenido)

- Poseen buena resistencia mecánica

- Ductilidad moderada – Baratos

Aceros de alto carbono (%C˃0.8)

- Son templables

- Duros y resistentes al desgaste

- Difíciles de soldar

- Poco tenaces

- Baratos

Entre las principales aplicaciones de los aceros simples se pueden mencionar a las siguientes:

- Estructuras

- Elementos de máquinas (Ejes, resortes, engranes, etc)

- Tornillos - Herramientas de mano


Aceros aleados. Los aceros aleados son aceros simples a los que se les agrega de manera intencional ciertos elementos de aleación, entre los que se pueden mencionar a los siguientes: cromo, molibdeno, níquel, tungsteno, vanadio, silicio, manganeso, etc, debiendo ser la suma de todos los elementos antes mencionados menor o igual al 5 %. Los objetivos perseguidos son los siguientes: - Aumentar la resistencia mecánica - Mejorar su templabilidad - Aumentar su resistencia a la corrosión y a la oxidación Para designar a los aceros simples y aleados se utiliza un sistema de identificación de 4 dígitos desarrollado por A1SI (American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of Automotive Engineers) y que en México fue adoptado por NOM (Norma Oficial Mexicana). Póngase por ejemplo al acero NOM - 1045; el primer dígito indica cual es el principal de aleación (carbono en este caso); el segundo dígito, la modificación del acero original y los dos últimos dígitos cual es el porcentaje de carbono en centésimas de punto, esto es, en el ejemplo el contenido de carbono es de 0.45%. En la Tabla 2.1 se muestra cual es principal elemento de aleación dependiendo de cual es el valor del primer digito.




Los aceros de alta aleación se clasifican en dos grandes grupos, a saber:

- Aceros Inoxidables

- Aceros para herramientas

Los aceros inoxidables Son básicamente aleaciones Fe-Cr ó Fe-Cr-Ni con un contenido de al menos 10 % de cromo y el menor contenido posible de carbono y que poseen una buena resistencia a la corrosión y a la oxidación conferida por una capa de óxido de cromo que se forma sobre su superficie y que origina la pasivación de ésta. Los aceros inoxidables se clasifican de acuerdo a la microestructura que se obtener en ellos , tal y como se muestra enseguida:

- Aceros inoxidables martensíticos

- Aceros inoxidables ferriticos y

- Aceros inoxidables austeníticos A continuación se mencionan las principales características de cada una de las familias de aceros antes mencionadas:

Aceros Inoxidables Martensíticos
- Poseen un contenido de cromo entre el 12 y 14 %.

- El contenido de carbono no excede de 0.4 %.

- Son magnéticos - Son tratables térmicamente ( Temple y revenido).

- Poseen regular resistencia a la corrosión y a la oxidación.

- Son los más económicos dentro de los aceros inoxidables

- Según AISI-NOM se identifican mediante un 4 segido de dos digitos.

Aceros Inoxidables Ferríticos

- Poseen un contenido de cromo entre el 15 y 25 %.

- El contenido de carbono no debe exceder de 0.1 %.

- Poseen buena resistencia a la corrosión y a la oxidación

- No son tratables térmicamente - Endurecibles mediante trabajo en frío

- Son magnéticos. - Según AISI- NOM se identifican mediante un 4 seguido de 2 digitos.


Aceros inoxidables Austeníticos

- Poseen entre el 15 y 25 % de cromo

- También contienen níquel en un rango de 7 al 15 %.

- Y el contenido de carbono no debe exceder de 0.08 %

- Son no magnéticos - No son tratables térmicamente

- Son endurecibles mediante trabajo en frío

- Son caros

- Se identifican mediante un 3 seguido de 2 dígitos, y los que contienen manganeso mediante un 2 seguido de 2 dígitos.

- Tuberías

- Recipientes de proceso

- Válvulas

- Cuchillería

- Resortes

- Artículos de ornato, etc.


Los aceros para herramienta

Son otro grupo importante de aceros y como su nombre lo indica se utilizan fundamentalmente para la fabricación de herramientas que se utilizan para darle forma a otros materiales. Los principales elementos de aleación de los aceros para herramienta son : carbono, tungsteno, molibdeno, manganeso, vanadio, niquel, cobalto etc. Los aceros para herramienta deben mostrar las siguientes cualidades:

- Deben poseer una alta dureza y resistencia al desgaste.

- También deben mostrar una excelente templabilidad

- Deben sufrir una deformación mínima durante el tratamiento térmico.

- Deben retener su dureza a altas temperaturas (dureza al rojo) Al término de la Segunda Guerra Mundial, en los Estados Unidos de Norteamérica, AISI se encargó de clasificar e identificar los aceros para herramienta tal y como se muestra a continuación:


Aceros para trabajo en frío

- Los cuales a su vez se dividen en:

- Aceros templables en agua y que se identifican con la letra W

- Aceros templables en aceite identificables con la letra O

- Los aceros templables al aire que se identifican con la letra A

- Los aceros de alto cromo

- alto carbono que se utilizan para la fabricación de troqueles que se identifican con la letra D.

- Aceros resistentes al impacto. identificables con la letra S.

- Aceros para trabajo en caliente que se se identifican con la letra H

- Los aceros rápidos o aceros alta velocidad que pueden ser al tungsteno y al molibdeno, identificándose los primeros con la letra W y los segundos con la letra M

- Los aceros para moldes que se identifican con la letra P

- Los aceros de propósito general que se identifican con las letras L y F.


Fundiciones de hierro

Son aleaciones de hierro y carbono con un contenido de este último en el rango de 2 hasta 6.7 % con cantidades adicionales de silicio o manganeso. Su principal diferencia con los aceros es que no se les puede dar forma mediante deformación plástica ni en frío ni en caliente. Sus principales características son las siguientes:

- Buena resistencia a la compresión, pero no a la tensión

- Son maquinables

- Absorben vibraciones

- Buena resistencia bajo cargas variables

- Son baratos Los hierros fundidos se clasifican en función de la forma en que se encuentra en carbono tal y como se menciona a continuación:

- Hierros fundidos blancos. El carbono se encuentra en forma de carburo de hierro

- Hierros fundidos grises .

- El carbono de encuentra en forma de hojuelas de grafito

- Hierros fundidos nodulares o dúctiles.

- El carbono se encuentra en forma de nódulos de grafito y

- Hierros fundidos maleables.

- Donde el carbono se encuentra en forma de rosetas de grafito. Los más resistentes son los hierros nodulares pero al mismo tiempo son los más caros ya que se precisa de un mayor control en su composición química. Los más usados son los hierros fundidos grises. Las principales aplicaciones de los hierros fundidos son:

- Carcasas para bombas y transmisiones

- Bases y marcos para máquinas herramientas

- Engranes - Flechas - Partes automotrices, etc.

Aleaciones no ferrosas.

El material no ferroso más usado en la actualidad es el aluminio y las aleaciones que forma con los siguientes elementos: Cu, Mg, Ni, Si, Zn, Li,etc. Mostrando las siguientes características:

- Buena resistencia a la corrosión debida a la formación de una capa protectora

- Ligero con una densidad de 2.7 g/cm3

- Fácil de reciclar (principalmente el aluminio puro).

- Buena relación resistencia/peso Sus principales aplicaciones son:

- Conductores eléctricos

- Componentes para avión

- Envases para alimentos

- Cancelería

- Diversos componentes automotrices

El cobre es otro importante metal de uso corriente en ingeniería, sus principales elementos de aleación son:

- Estaño, para constituir al bronce

- Zinc, formando el latón

- Níquel constituyendo los cuproniqueles Sus principales características son:

- Es buen conductor eléctrico

- Posee buena resistencia a la corrosión

- Es dúctil y fácil de soldar

- Posee una resistencia mecánica moderada.

Sus principales aplicaciones son:

- Conductores eléctricos

- Resortes

- Tubería

- Artesanías

- Engranes

- Cerraduras Otro metal con cada día mayor numero de aplicaciones es el zinc, el cual es muy abundante en nuestro país; sus principales elementos de aleación son: aluminio, magnesio y el cobre. Sus principales características son:

- Buena resistencia a la corrosión

- Económico

- Funde a bajas temperaturas aleado con otros elementos Se utiliza principalmente en forma de recubrimiento y como parte importante de dos aleaciones comerciales de gran importancia que son el Zamak y el Zinalc.

Materiales no metálicos

Los materiales no metálicos están constituidos principalmente por los siguientes grupos de materiales.

- Plásticos - Cerámicos y

- Materiales compuestos.

Los materiales plásticos

Los plásticos se dividen para su estudio en tres grandes grupos, a saber:

- Termoplásticos

- Termofijos

- Elastómeros Los primeros son aquellos que se pueden ablandar por medio de calor para darles forma muchas veces, esto significa que son fáciles de reciclar Los plásticos termofijos no se pueden ablandar por medio calor, ya que si se aumenta mucho su temperatura sólo se conseguiría quemarlos y los elastómeros son aquellos que pueden experimentar una gran cantidad de deformación elástica a temperatura ambiente. De los plásticos se aprovechan las siguientes características: - Son ligeros - Baratos - No se corroen

- Se les puede dar forma fácilmente

- Buenos aislantes térmicos y eléctricos

- Son relativamente fáciles de reciclar Sin embargo muestran los siguientes inconvenientes:

- Sólo pueden trabajar a temperaturas relativamente bajas (no más de 120 ºC)

- Sus propiedades mecánicas son un tanto reducidas

- Se degradan

- Su reciclaje todavía es un tanto limitado.

Sus principales aplicaciones son:

- Fibras textiles

- Envases y envolturas

- Partes para automóvil

- Engranes y carcasas

- Objetos diversos Los plásticos mas usados hoy día son:

- El polietileno, el poliestireno, el cloruro de polivinil ( PVC), el teraftalato de polietileno (PET), el polipropileno, etc. Todos ellos son plásticos reciclables. Dentro de los termofijos los más usados son: los epóxicos, los silicones, poliesteres no saturados, poliuretano, fenólicos, etc. Todos ellos son muy difíciles de ser reciclables pero afortunadamente la suma de ellos sólo alcanza un 20 % del total consumido.


Los materiales cerámicos

Son los primeros materiales que tuvo a su alcancé el hombre primitivo y que aún hoy siguen teniendo una gran cantidad de aplicaciones, por ejemplo, el barro, la porcelana, etc. Sin embargo en los últimos años han cobrado gran auge los llamados cerámicos de ingeniería, entre los que se pueden mencionar a los siguientes:

- Oxidos (óxido de aluminio, óxido de magnesio,etc.)

- Carburos ( Carburo de tungsteno, carburo de silicio, carburo de titanio,etc)

- Nitruros como puede ser en nitruro cúbico de silicio. Estos materiales de alta tecnología muestran las características siguientes:

- Poseen una alta dureza

- Resistentes a temperaturas elevadas

- Aislantes térmicos y eléctricos

- Son resistentes a la corrosión

Sin embargo, son frágiles, son poco resistentes al choque térmico y son todavía muy caros.

Estos materiales encuentran actualmente las siguientes aplicaciones:

- Herramientas de corte

- Recubrimientos

- Válvulas e impulsores para bombas

- Ladrillos refractarios

- Componentes automotrices.


Materiales compuestos

En términos generales, un material compuesto es aquel que está hecho de dos o mas elementos que le otorgan ciertas propiedades en combinación que no son posibles en ninguno separadamente. Los más importantes son los que se refieren a fibras resistentes de varios tipos , encapsuladas en plástico.

Estos, se clasifican en varias categorías según el tipo de fibras utilizadas en su fabricación tal y como se muestra a continuación:

a) Plásticos reforzados con fibras de carbono (CFPR)

b) Plásticos reforzados con fibras Aramid (AFRP)

c) Plásticos reforzados con fibras de vidrio.

En los plásticos reforzados con fibras , éstas proporcionan la resistencia mecánica necesaria, y el material plástico o matriz proporciona la forma del componente. Las propiedades del material dependen del tipo de plástico y de fibra utilizados en su fabricación. Cuando las resinas utilizadas en los FRP son curadas y endurecidas forman una pieza de plástico, que por sí sola es débil y frágil. Por otra parte, las fibras utilizadas, son fabricadas de materiales frágiles y quebradizos como el vidrio ¿cómo es posible que un material frágil combinado con otro igual puedan crear un material tenaz ? El material con que están fabricadas las fibras se produce en forma de filamentos muy finos, y las cuarteaduras y fracturas en el material compuesto dejan de ser un problema mayor debido a las razones siguientes:

- El diámetro de los filamentos de fibra es tan pequeño, que cuando son sometidas a carga, simplemente se doblan y se apartan de la dirección de la carga, en lugar de soportarla y como consecuencia fracturarse.

- Existe una carga mínima que el material con el que están fabricadas las fibras puede tolerar sin que su resistencia de vea afectada. Influyendo de manera determinante el diámetro de la fibra en la resistencia mecánica de ella. Las principales aplicaciones de los materiales compuestos son las siguientes:

- Paneles de carrocerías para automóviles

- Artículos diversos

- Componentes para avión, etc.


PRUEBAS MECÁNICAS

Aplicación de la prueba de tensión.

Cuando un material se somete a una carga o fuerza externa, sufrirá inicialmente una deformación de tipo elástica; si la carga sigue aumentando, la deformación pasará a ser de tipo plástica. Básicamente, se puede diferenciar la deformación elástica de la plástica, por el hecho de que la primera desaparece cuando deja de actuar la carga que la produjo, recuperando el metal sus dimensiones originales. Por otra parte, la deformación plástica es una deformación permanente, es decir, aun cuando se retire la carga que la produjo, el metal no recuperará sus dimensiones originales.



Para poder analizar dicho comportamiento y al mismo tiempo obtener las principales propiedades mecánicas de un material se aplica la prueba de tensión, la cual consiste en aplicar a una probeta de sección circular uniforme, una carga de tensión que se va incrementando gradualmente hasta que ocurre la falla.




Dentro del rango de deformación elástica, existe una relación directa entre el esfuerzo y la deformación. El esfuerzo está dado por:


Donde:

σ = Esfuerzo expresado en N/mm2 , (psi)

F = La carga aplicada en N, (lb)

A = Al área de la sección transversal de la probeta en mm2 , (pulg2 )


Y la deformación producida por éste esfuerzo está dada por la relación:





Donde: L = Longitud inicial de la probeta en mm (pulg.)

Li = Longitud de la probeta deformada elásticamente en mm (pulg.)

De aquí, se puede expresar la relación entre esfuerzo y deformación por medio de la ley de Hooke*


La ley de Hooke Habla de la elasticidad (física). La teoría de la elasticidad (Ley de Hooke) establece que un cuerpo elástico se estira proporcionalmente a la fuerza que actúa sobre él.

Donde: E = Módulo de elasticidad o módulo de Young, dado en N/mm2 o Psi.

El módulo de Young también se conoce como módulo de elasticidad en tensión, para diferenciarlo del módulo de compresión (K) y del módulo de elasticidad al corte (G).

El módulo de elasticidad representa la resistencia del metal contra la deformación “elástica”. Para deformar elásticamente un material con alto módulo elástico se requiere un esfuerzo alto, mientras que un esfuerzo menor será suficiente para deformar elásticamente un material con módulo elástico bajo.

No es posible modificar en forma apreciable el módulo de elasticidad de un material dado, ya que E sólo varía sensiblemente en presencia de texturas (orientación preferencial de granos) o modificando apreciablemente la composición. Por ésta razón en el caso de los aceros, por ejemplo, el módulo de Young será el mismo así se trate de un acero aleado o un acero al carbono.

Sin embargo, se conoce que ciertos procesos que se llevan a cabo dentro del material, pueden disminuir el valor de E; entre estos se puede mencionar: el endurecimiento por precipitación, descomposición eutectoide, deformación en frío, aumento de la temperatura de trabajo, etc.


Diagrama esfuerzo-deformación de ingeniería. una curva típica esfuerzo-deformación (σ-ε) de ingeniería para un acero de bajo carbono (1020). Se observa la región elástica en la cual se cumple la Ley de Hooke denotada por la ecuación la deformación es proporcional al esfuerzo, hasta un valor de σE llamado “límite elástico”, a partir del cual empieza una deformación no recuperable, es decir, se entra a la región de deformación plástica, en la que ya no existe una relación directa entre esfuerzo y deformación.




El límite elástico de los materiales es un dato de suma importancia para el diseño, ya que el rebasar este valor conduciría a una deformación plástica, con pérdida de tolerancia y otros problemas.

Uno de los principales objetivos de los tratamientos térmicos es precisamente la elevación del límite elástico, lo que implica un aumento de la resistencia del material a la deformación plástica; esto es lo que se entiende por “aumentar la dureza” de un material.

También, a partir de dicho diagrama se pueden obtener las siguientes propiedades:

Límite proporcional: Es el mayor esfuerzo para el cual puede aplicarse la ley de Hooke. En otras palabras, es el esfuerzo en el extremo de la porción recta de la curva esfuerzo-deformación.

Resistencia Máxima: Es el mayor esfuerzo, basado en la sección original, que puede soportar un material. También conocida como resistencia última.

Resistencia a la ruptura: Es el esfuerzo en un material, basado en la sección transversal original en el instante en que se rompe. También conocido como resistencia a la fractura.

Elasticidad: Se refiere a la habilidad de un material para deformarse bajo una carga o esfuerzo y recuperar sus dimensiones originales cuando el esfuerzo se retira.

Plasticidad: Es la cualidad de un material para deformarse bajo un esfuerzo o carga y retener esta deformación después de retirar la carga o esfuerzo.

Resistencia a la cedencia o a la fluencia: Es aquel esfuerzo que causará en el material una cierta cantidad específica de deformación plástica. Usualmente se determina por el método de la mínima deformación permanente. La resistencia a la cadencia es el esfuerzo en donde se intersectan la línea curva y la línea recta en el diagrama de esfuerzo-deformación.

Porcentaje de alargamiento: Se obtiene comparando el alargamiento total en la fractura, con la longitud calibrada de la probeta.

Las dos partes de la fractura se acoplan adecuadamente, y se mide la distancia entre las marcas de comparaciones; el alargamiento total es esta distancia menos la longitud inicial.


Matemáticamente se define así:





Donde:

Lf=Longitud Final

L=Longitud Inicial

ε= Elongación.

Este decremento del área es conocido como estrangulación y se obtiene comparando la reducción del área en la sección mas pequeña de la probeta fracturada con el área de la sección transversal original


En forma de ecuación queda así:

% REDUCCIÓN DE ÁREA = 




Donde:

A= Área original de la sección transversal.

AF= Área final de la sección transversal.

Debe mencionarse que los diagramas esfuerzo-deformación para diferentes materiales, varían considerablemente, y diferentes pruebas de tensión del mismo material pueden producir resultados diferentes, dependiendo de la temperatura de la muestra y la rapidez en la aplicación de la carga.

Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes entre los diagramas esfuerzo-deformación de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías sobre la base de estas características; a saber:



-Materiales Dúctiles y Materiales Frágiles.


El comportamiento típico de estos se observa en la figura:





Los materiales dúctiles, que comprenden el acero estructural y muchas otras aleaciones, se caracterizan por su capacidad para fluir a temperaturas normales.

Cuando se somete la probeta a una carga creciente, su longitud aumenta, primero linealmente a una velocidad muy baja; pero después que alcanza un valor crítico de esfuerzo, la probeta sufre grandes deformaciones con un pequeño aumento en la carga aplicada. Esta deformación ocurre por deslizamiento del material en planos oblicuos y se debe a la presencia de esfuerzos cortantes.

Los materiales frágiles como el hierro fundido, cristal y piedra se caracterizan porque la ruptura ocurre sin que se presente antes un cambio importante en la velocidad de alargamiento.

Así para materiales frágiles no hay diferencia entre resistencia última y resistencia a la ruptura. También, la deformación en el momento de la ruptura es mucho más pequeña para materiales frágiles que para materiales dúctiles.


Para la realización de esta prueba se utilizan máquinas universales como la que se observa en la figura:




Resistencia específica

No importando de que material éste hecho un componente, obviamente se puede hacer más resistente si se incrementan sus dimensiones. El problema con este tipo de solución es que la pieza al mismo tiempo se vuelve más pesada y en muchas máquinas, por ejemplo, aviones ó automóviles es el enemigo a vencer. La condición ideal buscada es la máxima resistencia con el menor peso posible. Por lo tanto, una de las cuestiones que más interesan al ingeniero mecánico es la relación resistencia-peso, que en ingeniería recibe el nombre de resistencia específica del material. Matemáticamente esto es:

Resistencia específica = Resistencia a la fluencia / densidad

Haciendo una comparación sobre esta base los materiales modernos compuestos figuran en los primeros lugares en comparación con otros materiales que son insignificantes en este aspecto, por ejemplo la resistencia específica para el acero NOM- 1010 es de 200, mientras que para la fibra de carbono es de 4600.

Rigidez, módulo de Young

La resistencia mecánica y la relación resistencia-peso no son las únicas propiedades que se toman en cuenta para la elección de un material para la fabricación de un elemento o estructura mecánica. Existe otro factor importante, la rigidez. Retomando la definición de resistencia, que es una medida de la cantidad de fuerza requerida para romper una muestra de material; la rigidez es una propiedad que muestra que tanto se deformará un material bajo la acción de una determinada carga, es decir, ¿ qué tan elástico es un material ?

El número que representa la rigidez es llamado “módulo de elasticidad ó módulo de Young” y es representado por la letra E en los manuales de materiales. El módulo de Young es el esfuerzo que sería requerido para deformar al doble la longitud de un espécimen, si esto fuera posible. Al comparar la rigidez de diferentes materiales, la tabla 3.1 revela que existe una gran separación entre los valores y no existe un patrón común. La separación entre materiales compuestos y metales ha desaparecido. De hecho el acero presenta muy buenas propiedades comparadas con las de las fibras. Los metales más ligeros que el acero, como el titanio, el aluminio y el magnesio, el aramid y la fibra de vidrio presentan bajas propiedades mientras que la madera prácticamente nada.





Desde el punto de vista matemático el módulo de Young es la pendiente del diagrama esfuerzo- deformación en la región elástica.


Rigidez específica

La situación es la misma para rigidez que para resistencia, se puede ganar más rigidez incrementando la cantidad de material en un componente, pero el peso también se incrementa. Para poder comparar la utilidad estructural de diversos materiales, se necesita tomar en consideración otra vez el peso, por lo tanto la idea de introducir a la ingeniería una relación rigidez-peso, llamada también rigidez específica, resulta de gran ayuda. Cuando se comparan los materiales bajo estas bases, tabla 3.1. nos encontramos con la más extraña coincidencia de la ciencia de materiales: todos los metales estructurales comunes, las fibras de vidrio E, y la mayor parte de maderas tienen virtualmente los mismos valores de rigidez específica. "Una de las pequeñas bromas de Dios" ( Profesor J.E. Gordon Michigan University)


Dureza

Es la resistencia del material a la penetración, a la deformación plástica y a la rayadura. Existen varios ensayos de dureza para encontrar su valor en distintos materiales, siendo lo más importantes los siguientes:

- Prueba Brinell, que utiliza cargas de 500 y 3000 kg de carga; se utiliza en hierros, aceros y aleaciones no ferrosas

- Prueba Rockwell, la cual emplea cargas de 60,100 y 150 kg de carga, se puede emplear en materiales muy blandos y muy suaves.

- Prueba Vickers, puede emplearse cargas desde unos cuantos gramos hasta los 10 kg, y su versatilidad es muy grande.

- Prueba Knoop o Tukón.

- Emplea cargas menores a 1 kg y se puede medir la dureza de casi todos los materiales. Las diferencias entre los diferentes tipos de ensayos de dureza radican en los siguientes factores:

- Magnitud de la carga empleada

- El tipo de indentador utilizado

- El parámetro que se mide de la huella.

La dureza esta íntimamente ligada con la resistencia máxima del material, por ejemplo para los aceros, en el sistema inglés la resistencia máxima del material en lb/ pulg2 se puede aproximar con la siguiente fórmula:

σmax= 500 x BHN

Donde: BHN es el número de dureza Brinell.


Ensayo de impacto

Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un comportamiento más frágil comparado con el que se observa en el ensayo de tensiòn. El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo estas condiciones. Se han desarrollado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo Charpy y el ensayo Izod. Este último generalmente se utiliza para materiales no metálicos. La probeta puede o no tener muesca, la que tiene muesca en V mide mejor la resistencia del material a la propagación de grietas.


Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura 0 h , describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final f h menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo Charpy, la energìa por lo general se expresa en libra-pie (lb.-pie) o en Joules (J) donde 1 lb_pie=1.356 J. La capacidad de un material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como tenacidad del material. La figura 3.6 muestra esquemáticamente la prueba de impacto.








Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto.


A partir de la prueba de impacto se pueden obtener las propiedades siguientes:

Temperatura de transición.

La temperatura de transición es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Esta temperatura puede definirse como la energìa promedio entre las regiones dúctil y frágil, a una energìa absorbida especifica, o al tener ciertas características en la fractura. Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea el material.

No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida. Los metales BCC tienen temperatura de transición, pero la mayoría de los FCC no la tienen. Los metales BCC absorben valores altos de energìa durante las pruebas de impacto; esta energía disminuye gradualmente e incluso a veces se incrementa conforme se reduce la temperatura.


Sensibilidad a las muescas

Las muescas causadas por un maquinado, fabricación o diseño defectuoso son concentradoras de esfuerzos y reducen la tenacidad de los materiales. La sensibilidad a las muescas de un material puede evaluarse comparando las energías absorbidas por probetas con y sin muescas. Las energías absorbidas son mucho menores en probetas con muesca si dicho material es sensible a éstas.

Relación con el diagrama esfuerzo-deformación

La energía necesaria para romper un material está relacionada con el área bajo la curva esfuerzo real-deformación real*. Aquellos metales con resistencia y ductilidad altas tienen buena tenacidad. Los materiales cerámicos y muchos compuestos, por otra parte, poseen poca tenacidad, a pesar de su alta resistencia, ya que virtualmente no tienen ductilidad.


Aunque la prueba Charpy es muy simple desde el punto de vista mecánico, con ella se pueden diseñar varias pruebas de impacto donde se muestra de forma rápida y didáctica, la influencia que tienen determinados factores en el comportamiento mecánico de los materiales, la figura de abajo se muestra ejemplos de algunas de estas máquinas.




Como se mencionó anteriormente la prueba, consiste en golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en un soporte, ver figura de abajo:





La masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja caer desde una altura H, mediante la cual se controla la velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto.

La energía absorbida ∆E por la probeta, para producir su fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto. Una vez conocido el ángulo inicial de aplicación de la carga (α) y el àngulo final (β) al que se eleva el péndulo después de la fractura completa de la probeta; se puede calcular la energìa ∆E mediante la siguiente expresión.


Normatividad ASTM Las pruebas de impacto Charpy se realizan según normas internacionales en las cuales se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de ensayo, asì como la forma de reportar los resultados de los mismos. De acuerdo con las normas ISO (International Standars Organization), los resultados de los ensayos de impacto, en probetas entalladas, se suelen expresar en ( / ) 2 KJ m , para lo cual se divide la energía absorbida para provocar la fractura de la probeta entre la sección transversal de la misma en la zona de la entalla ( ) h ×bn , figura 3.9, mientras que según las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) se reportan los resultados en (J/m), donde se divide esa energía absorbida entre la remanente en la base de la entalla ( ) n b


Las probetas para estas pruebas, tiene forma de paralelepípedos con una sección transversal de 2 1×1cm y 55 mm. De longitud. Según las normas ASTM, en su especificación E 23; tanto el percutor (sección de la masa M que golpea a la probeta) como el soporte de la probeta, deben tener dimensiones normalizadas.





Las entalladuras o muescas pueden variar en su radio pero suele usarse una profundidad de 3mm. La figura de abajo muestra diferentes muescas para un mismo material.







Teorías de fallas

Se entiende por falla aquella situación en que un elemento mecánico ya no puede cumplir de manera satisfactoria con la función para la cual fue creado, ya sea porque se ha deformado plásticamente, se nos ha desgastado o se nos ha fracturado.

Las teorías de falla tratan de describir las condiciones bajo las cuales puede fallar un elemento mecánico. Por lo tanto, la falla de una pieza, implica estados de esfuerzos en un punto que superan la capacidad inherente del material de soportar dichas cargas, así la suposición básica que constituye el marco de referencia para todas las teorías de falla es esto se producirá cuando el esfuerzo principal máximo o el esfuerzo cortante máximo, alcance o supere el valor del mismo parámetro obtenido en una prueba de tensión simple.

A lo largo de los años se han postulado un sin número de teorías de falla, mencionándose a continuación una de las más importantes, así como el tipo de material para el que son valida.

1. Teoría del Esfuerzo Normal Máximo (Materiales frágiles).

2. Teoría del Esfuerzo cortante Máximo (Materiales dúctiles).

3. Teoría de la Energía Máxima de la Distorsión (Materiales dúctiles).

4. Teoría de Mohr Modificada (Materiales frágiles).

ESFUERZOS VARIABLES CÍCLICOS O DE FATIGA.

Factor teórico de concentración de esfuerzos (Kt).


Todo cambio en la sección transversal de un elemento produce un esfuerzo mayor que el predice la resistencia de materiales elemental, eso no significa que las ecuaciones básicas no tengan algún valor, sino que simplemente tienen que ser corregida por un factor adecuado, el valor de dicho factor ha sido obtenido ya por técnicos y científicos utilizando técnicas como fotoelasticidad, barnices, y en los últimos años el análisis mediante el elemento finito (MEF), y los resultados obtenidos los han presentado en forma de tablas y gráficas.








Tómese por ejemplo el caso de una placa semi-infinita de área transversal uniforme sometida a una carga axial (como se muestra en la Figura 5.2.a.). Se espera entonces que el esfuerzo se distribuya lineal y uniformemente por toda el área, lo que se representa como líneas que asemejan las trayectorias de flujo de un líquido dentro de una tubería; dichas líneas pueden verse en los análisis fotoelásticos de esfuerzos, y en este caso están igualmente espaciadas. La magnitud del esfuerzo nominal σnom será:

σ nom= F/A


Donde F es la carga axial distribuida y A el área transversal.





Ahora considere una placa con una ranura orientada longitudinalmente. El efecto inmediato es una reducción del área efectiva en la sección transversal donde se ubica la ranura, lo que implica un aumento en el esfuerzo nominal; sin embargo, el esfuerzo no se redistribuye linealmente sino que se acumula o concentra cerca de la ranura (tal como lo muestran las líneas de esfuerzo en la Figura 5.2.b.). El efecto de una ranura transversal sobre el esfuerzo es mayor ya que la transición del área efectiva es más drástica (Figura 5.2.c.). Por esta razón, a estos detalles geométricos que alteran la uniformidad de la sección transversal de un elemento de máquina se les llama concentradores, elevadores o intensificadores de esfuerzos.

Considere ahora una placa plana semi-infinita con un orificio elíptico, lo suficientemente lejos de los bordes como para descartar una falla por área reducida; sean a y c los ejes semiejes transversal y longitudinal respectivamente. Como ya se observó, cerca del orificio se produce un mayor esfuerzo que en el borde de la pieza, denominado σmax> σnom y se calcula a través de un parámetro de concentración de esfuerzos (Kt) que es función de:

· La geometría de la pieza.

· La geometría del concentrador.


· El tipo de carga a la cual está sometida. Se define entonces:




Recuerde que los esfuerzos nominales σnom y τnom se calculan con el área reducida (área neta) asumiendo la distribución de esfuerzos correspondiente a una geometría uniforme.

Existen gráficas y ecuaciones empíricas como el de la Figura 5.2. (consulte referencias bibliográficas), para las combinaciones más comunes de geometrías de piezas, concentradores y tipos de cargas; dichas ecuaciones cuales se pueden programar para cálculos repetidos, tomando como datos de entrada los parámetros geométricos del concentrador.


Cuando no exista información sobre un caso particular de concentradores de esfuerzos se puede recurrir al Análisis por Elementos Finitos (más conocido por su sigla en inglés FEA), donde los valores de esfuerzos se calculan automáticamente (representados por curvas de colores que representan diferentes niveles de esfuerzos), a partir de la geometría, condiciones límites o restricciones y las componentes de carga. Se obtienen valores de esfuerzos y deformaciones consistentes con valores teóricos y experimentales, siempre y cuando los datos de entrada sean correctos y el tipo y tamaño de malla sea adecuado para la geometría del concentrador.





Por lo tanto, las ecuaciones básicas de la resistencia de materiales se pueden escribir de la siguiente manera, ya tomando en cuenta el factor Kt





De todo lo anterior se puede deducir que: · Una pieza con concentradores de esfuerzos puede fallar bajo cargas cuyo valor sea inferior al valor nominal de diseño. En otras palabras, para el cálculo de factores de seguridad no cuenta el esfuerzo nominal sino el esfuerzo máximo inducido por el concentrador de esfuerzos.

· La falla se iniciará con mayor probabilidad en el borde del concentrador, pues es allí donde se genera el esfuerzo máximo.

· Un concentrador será más peligroso en la medida en que sea más agudo su radio de curvatura, genere un cambio de sección más abrupto o una sección reducida más pequeña, y/o se encuentre en la zona de la pieza sometida al mayor estado de carga. Gracias a que la falla no se produce de inmediato, se puede detectar la deformación de la pieza a tiempo, retirarla, rediseñarla y reemplazarla.

Para fines prácticos de diseño, simplemente se calcula el esfuerzo corregido teniendo en cuenta el área reducida y un factor de seguridad razonable.

· Para materiales frágiles, sí se consideran los efectos de los concentradores, ya que en ausencia de zona plástica (incluyendo la de fluencia), los esfuerzos locales alcanzan directamente la falla generando microfracturas que se propagan instantáneamente generando la falla de la pieza sin deformación apreciable.

· Un caso especial son los materiales frágiles de fundición, los cuales tienen “concentradores propios” representados en defectos del material tales como impurezas (escoria y arena de moldeo), poros y grietas, y cuyos efectos están incluidos en la resistencia reportada a partir de los ensayos del material. En la práctica, los concentradores pequeños se desprecian ya que su efecto en el aumento del esfuerzo no es significativamente mayor al de los defectos propios del material.



                                  Elementos de máquinas





Diferentes elementos de una máquina (cronógrafo de aviación de Rusia).

Una máquina está compuesta por una serie de elementos más simples que la constituyen, pudiendo definir como elementos de máquinas todas aquellas piezas o elementos más sencillos que correctamente ensamblados constituyen una máquina completa y en funcionamiento.

Estos elementos de máquinas, no tienen que ser necesariamente sencillos, pero si ser reconocibles como elemento individual, fuera de la máquina de la que forma parte, o de las máquinas de las que puede formar parte.


Tema/ Mecanica / Diseño de elementos de maquinas

Tipos de elementos para máquinas

Según la tecnología a la que cada uno de estos elementos puede formar parte, podemos distinguir:
Mecánicos

Mecánicos: son las piezas de metal o de otros materiales que constituyen los elementos de la máquina.


                                     Podemos diferenciar:






Engranajes constituyentes de la caja de cambios de un motor (máquina).


Elementos mecánicos constitutivos

Son los elementos que forman la estructura y forma de la máquina:

1. Bancada

2. Bastidor

3. Soportes

4. Carros móviles


Elementos de unión

Son los que unen los distintos elementos de la máquina:

• Elementos de unión fija: dan lugar a una unión que una vez realizada no puede ser deshecha:

1. Remache

2. Soldadura

Elementos de unión desmontable

(dan lugar a uniones que pueden ser desmontadas en un momento dado):

1. Tornillo

2. Pasador

3. Grapa

4. Presilla


Elementos de transmisión

Son los que trasmiten el movimiento y lo regulan o modifican según el caso:

1. Árboles de transmisión

2. Engranaje

3. Husillo

4. Cadenas y correas de transmisión

5. Balancín


Elementos de pivotar y rodadura

Son los elementos que permiten el giro, deslizamiento o pivotaje de los elementos móviles, sin demasiado desgaste ni producción de calor:

1. Cojinete

2. Rodamiento

3. Resbaladera

4. Quicionera



                                            Neumáticos






Los elementos de Neumática que forman parte de las máquinas son los que funcionan, hacen funcionar o regulan por aire comprimido:

1. Válvulas

2. Cilindros neumáticos

3. Turbinas neumáticas
Hidráulicos

Los elementos de Hidráulica en máquinas son los que funcionan, hacen funcionar o regulan la circulación de un líquido, normalmente aceite hidráulico.

1. Válvulas hidráulicas

2. Cilindro hidráulico
                                                                              
                                           Eléctricos


Contactor de CA para la aplicación de bombeo


Son los elementos que se basan en la tecnología eléctrica, y que podríamos dividir:
Generadores de movimiento

Son los que alimentándose por una corriente eléctrica dan lugar a un movimiento mecánico:

1. Motores: que dan lugar a un movimiento giratorio

2. Solenoides: que dan lugar a un movimiento lineal, de longitud limitada
De control y maniobra

Permiten la regulación de otros elementos eléctricos:

1. Pulsador

2. Interruptor

3. Conmutador

4. Relé

5. Contactor
Electrónicos







Circuito impreso de un reproductor de DVD Philips.

Dependiendo de la potencia de la máquina, los controles desde la perspectiva de la electrónica pueden ser PLC, DCL, Y PICs, todos estos son sistemas programables en los que con una configuración llamada SCADA, es posible observar y controlar el rendimiento de dicha máquina a través de una PC equipada con los periféricos de entrada adecuados


EJES, ÁRBOLES Y ELEMENTOS DE FIJACIÓN

Introducción Un eje es un miembro rotatorio o estacionario, el cual usualmente tiene una sección transversal circular mucho más pequeña en el diámetro que en su longitud y tiene montados elementos transmisores de potencia, tales como engranajes, levas, poleas, volantes, etc. La carga sobre el eje puede ser de varias combinaciones de flexión, torsión, axial, etc. Este capítulo sobre ejes se antepone a los capítulos sobre los varios elementos de máquinas que se colocan sobre un eje principalmente porque dichos elementos imponen una fuerza que se puede considerar en general y que es igualmente aplicable para cualquier elemento de máquina que represente.


Cuñas


Una variedad de elementos de transmisión de potencia, tales como engranes, poleas y levas, se montan sobre ejes giratorios. A la porción del miembro montado en contacto con el eje se le denomina masa. En esta sección se analiza un procedimiento de colocación de la masa al eje. Existe una gran variedad de cuñas, pero aquí se analiza el tipo más simple: la cuña plana. El objetivo principal de una cuña consiste en prevenir el movimiento entre el eje y el elemento de máquina conectado a través del cual se transmite el par de torsión. El propósito de usar una cuña es transmitir el par de torsión completo.







Una cuña también tiene la función de un sistema de seguridad. La mayoría de las máquinas tienen una velocidad de operación y un par de torsión que definen el tamaño requerido de la cuña. Sin embargo, en el caso de un incremento drástico en las condiciones de carga, la cuña fallará por cortante antes de que falle el eje o el elemento de máquina. Como las cuñas son baratas, además de que se pueden reemplazar rápidamente, los diseñadores las usan para proteger los componentes de la maquinaria más caros.

Volantes

Grandes variaciones en la aceleración de un mecanismo puede causar grandes oscilaciones en el par de torsión. El par de torsión pico puede ser tan alto como para que se requiera un motor demasiado grande. Sin embargo, el par de torsión promedio a lo largo del ciclo, debido principalmente a pérdidas y trabajo realizado externamente, con frecuencia puede resultar mucho más bajo que el par de torsión pico. Para suavizar los cambios de velocidad y estabilizar el flujo de ida y vuelta de la energía del equipo de rotación, con frecuencia se coloca un volante sobre un eje.






Por tanto, el uso de un volante permitirá que ocurra lo siguiente:

1. Una reducción de la amplitud de la fluctuación de la velocidad.

2. Una reducción del par de torsión máximo requerido.

3. Un almacenamiento y liberación de energía cuando se necesite durante un ciclo. En la figura se muestra un volante con un par de torsión medio de accionamiento Tm, y un par de torsión de carga Tl . Un motor proporciona un par de torsión Tm, el cual debe resultar tan constante como sea posible. El par de torsión de carga varía considerablemente dependiendo de las aplicaciones.


ENGRANAJES

Introducción: Un engranaje se puede considerar como una rueda dentada que cuando se acopla con otra rueda dentada de diámetro más pequeño (piñón), transmitirá rotación de un eje a otro. La función principal de un engrane es transferir potencia de un eje a otro, manteniendo una razón definida entre las velocidades rotacionales de los ejes. Los dientes de un engrane impulsor empujan los dientes del engrane impulsado, ejerciendo una componente de la fuerza perpendicular al radio del engrane. De este modo se transmite un par detorsión y como el engrane gira, se transmite potencia. Los engranes son los transmisores de par de torsión más fuertes y resistentes. Su eficiencia de transmisión de potencia puede ser tan alta como de 98%. Por otra parte, usualmente los engranajes son más costosos que otros transmisores de par de torsión, tales como los de transmisión por cadena y banda. Los engranajes están altamente estadarizados en cuanto a forma de los dientes y tamaño.


Clasificación Los engranajes

se dividen en tres clases fundamentalmente: engranajes de eje paralelo, engranajes de ejes no paralelos coplanares y engranajes de ejes no paralelos y no coplanares. A continuación, se hace una descripción de cada una de las clases.

Engranajes de eje paralelo

Los engranes de eje paralelo son el tipo de engranaje más simple y común. Conectan ejes paralelos y pueden transferir grandes cantidades de potencia con alta eficiencia. En esta clasificación, los engranajes rectos y helicoidales son los dos principales tipos.


Engranajes rectos

Los engranajes rectos son los más simples y el tipo más común. En la figura se muestra este tipo de engranajes.







Engranajes helicoidales

En la figura se muestra una transmisión por engranaje helicoidal, con los dientes de engranes cortados en una espiral que se envuelve alrededor de un cilindro. Los dientes helicoidales entran a la zona de acoplamiento progresivamente y, por lo tanto, tienen una acción más suave que los dientes de los engranajes rectos. Además, los engranajes helicoidales tienden a ser menos ruidosos. Otra ventaja de éstos es que la carga que se transmite puede ser un poco más grande, lo cual implica que la vida de los engranajes helicoidales sea más larga para la misma carga. Un engranaje helicoidal más pequeño puede transmitir la misma carga que un engranajes recto más grande.


Una desventaja frente a los engranajes rectos es que producen un empuje lateral adicional a lo largo del eje, el cual no se presenta en los engranajes rectos. Este empuje lateral puede requerir de un componente adicional, tal como un collar de empuje, rodamientos de bolas, etc. Otra desventaja es que los engranajes helicoidales tienen una eficiencia ligeramente más baja que los engranajes rectos. La eficiencia depende de la carga normal total en los dientes, que es más alta para los engranajes rectos. Aunque la capacidad de soporte de carga total es mayor para los engranajes helicoidales, la carga se distribuye normal y axialmente, mientras que en un engrane recto toda la carga se distribuye normalmente.






Engranajes no paralelos coplanares

Los engranajes cónicos, Zerol y espirales, se encuentran en la clase coplanar no paralela. La característica común de esta clase es la reexpedición de la potencia alrededor de una esquina, como se podría requerir, por ejemplo, cuando se conecta un motor montado horizontalmente al eje del rotor montado verticalmente en un helicóptero. En la figura se muestra un engranaje cónico con dientes rectos. Obsérvese que los ejes son coplanares aunque no paralelos.





Engranajes no paralelos no coplanares

Los engranajes no paralelos no coplanares son más complejos en cuanto a geometría y fabricación que cualquier otro engranaje. Como resultado, estos engranajes son más caros que cualquier otro. En la figura se muestra esta clase de engranajes con una transmisión por tornillo sin fin con dientes cilíndricos. Estos engranajes proporcionan relaciones de reducción considerablemente más altas que los conjuntos de engranajes anteriores, pero su capacidad de soporte de carga es baja, su presión de contacto es alta y la tasa de desgasta es alta también. Así, solo se recomiendan para aplicaciones con carga ligera.





Geometría de engranajes

En las figuras se muestran la geometría básica de un engranaje recto y los dientes de un engranaje con la nomenclatura que se va a emplear. La geometría de los dientes de un engranaje permite que una normal a los perfiles de los dientes en sus puntos de contacto pase por un punto fijo en la línea de centros denominada punto de paso. La altura de la cabeza a es la distancia desde la cresta hasta el círculo de paso, y la altura de la raíz b es la distancia radial desde el fondo hasta el círculo de paso. La holgura es la cantidad por la cual la altura de la raíz excede la altura de la cabeza. La holgura es necesaria para prevenir que el extremo del diente de un engranaje cabalgue sobre el fondo del engranaje de acoplamiento.





RODAMIENTOS


Introducción

El propósito de un cojinete es el de proporcionar una posición relativa y libertad de rotación, además de transmitir una carga entre dos estructuras, usualmente un eje y una carcasa. La forma básica y el concepto de un cojinete de elementos rodantes son simples. Si se van a transmitir cargas entre superficies en movimiento relativo en una máquina, la acción se facilita más efectivamente si se interponen elementos rodantes entre los miembros en deslizamiento. De esta forma la resistencia de fricción que se opone al deslizamiento se reemplaza en gran medida por la resistencia mucho más pequeña que se asocia con el rodamiento.

Tipos de rodamientos

Los cojinetes de bolas y de rodillos están a disposición del ingeniero en una gran variedad de diseños y tamaños. Los cojinetes de elementos rodantes son un ensamble de varias partes: pista interior, pista exterior, conjunto de bolas o rodillos, y una jaula o separador. La jaula o separador mantiene un espaciado uniforme de los elementos rodantes. Aunque los cojinetes de elementos rodantes funcionarían correctamente sin un lubricante y en algunas ocasiones operan de esa forma, con frecuencia resulta ventajoso aplicar una película lubricante para prolongar su vida.

Clasificación

Los rodamientos se pueden clasificar en función de: La geometría de los elementos rodantes: bolas, rodillos cilíndricos, rodillos esféricos, rodillos cónicos, agujas, etc. Las cargas a las que están sometidos los rodamientos: axial, radial, lineal o combinada.

Rodamientos de bo
las
 
Los rodamientos de bolas se usan más que cualquier otro tipo de elementos rodantes. Para una aplicación en que la carga es principalmente radial, se puede elegir uno de este tipo de rodamientos. La carga de empuje se aplicará en un lado de la pista de rodamientos interna mediante un hombro en el eje. La carga pasará a lo largo del lado de la ranura a través de la bola, hacia el lado opuesto del anillo de bolas y después a la carcasa. El radio de la bola es un poco más pequeño que el radio de la ranura para permitir el rodamiento libre de las bolas. En teoría, el contacto entre una bola y la pista de rodamientos se da en un punto, sin embargo, en realidad es un área circular pequeña debido a la deformación de las piezas. Como la carga es soportada en un área pequeña, se presentan tensiones debidas al contacto muy altas a nivel local. Para incrementar la capacidad de un cojinete de hilera única, se debe utilizar un cojinete que tenga mayor número de bolas o bolas más grandes que funcionen en pistas de rodamientos más grandes. Un tipo especial dentro del rodamiento de bolas es el rodamiento de bolas de contacto angular, en el que un ladote cada pista de rodamientos es más alto para permitir su adaptación a cargar de empuje más considerables. Este tipo de rodamientos se emplea comúnmente cuando la solicitación de cargas es combinación de componentes axial y radial. Los ángulos de empuje más comunes varían entre 15º y 40º.





Rodamientos de rodillos

cilíndricos Sustituir las bolas esféricas por rodillos cilíndricos con los cambios correspondientes en el diseño de los collares de bolas, proporciona una mayor capacidad de carga radial. El patrón de contacto entre un rodamiento y su collar es, en teoría, una línea y adopta forma rectangular conforme las piezas se deforman bajo el efecto de una carga. Los niveles de tensión debida al contacto son más bajos que los que corresponden a cojinetes de bola de un tamaño equivalente, lo que permite que cojinetes más pequeños soporten una carga particular o que un cojinete de un tamaño específico soporte una carga mayor. La capacidad para soportar carga de empuje es pobre. Los rodamiento de rodillos cilíndricos suelen ser muy anchos, lo cual les confiere escasa capacidad para adaptarse a la desalineación angular.





Rodamientos de autoalineados



El rodamiento de rodillos de barril es una forma de rodamiento autoalineado, se denomina así porque existe rotación relativa real de la pista de rodamientos externa en relación a los rodamientos y la pista de rodamientos interna cuando se presenta desalineación angular. Esto proporciona excelente especificación de la capacidad de desalineación en tanto se conservan las mismas especificaciones de capacidad de carga radial. Otro tipo de rodamientos autoalineados son los rodamientos de bolas a rótula, los cuales poseen dos hileras de bolas con un camino de rodadura esférico común en el aro exterior. Esta última característica confiere al rodamiento la propiedad del autoalineamiento lo que permite desviaciones angulares del eje con relación al soporte



Rodamientos de rodillos cónicos

Este tipo de rodamientos están diseñados para soportar cargas de empuje sustanciales con cargas radiales altas, lo cual da por resultado excelentes especificaciones en ambos. Se utilizan con frecuencia en rodamientos de rueda para vehículos y en maquinaria de trabajo pesado a la que le son inherentes cargas de empuje altas.






Rodamientos de agujas

Este tipo de rodamientos son en realidad rodamientos de rodillos cilíndricos, pero el diámetro es mucho menos. Al igual que en otros rodamientos de rodillos cilíndricos, la capacidad de empuje y desalineación es pobre.










COJINETES.

Introducción

La historia de la lubricación hidrodinámica comienza con los experimentos clásicos de Tower (1883), quien detectó la existencia de una película por medio de mediciones de la presión dentro del lubricante, y de Petrov (1886), quien llegó a la misma conclusión por medio de mediciones de la fricción. Este trabajo fue seguido muy de cerca por la reconocida investigación analítica de Reynolds (1886), en la que usó una forma reducida de las ecuaciones de Navier-Stokes junto con la ecuación de la continuidad para generar una ecuación diferencial de segundo orden de la presión en la distancia convergente y angosta entre las superficies de los cojinetes. Esta presión permite que una carga se transmita entre las superficies con una fricción muy baja, puesto que las superficies están completamente separadas por una película fluida. En tal situación las propiedades físicas del lubricante, en particular la viscosidad dinámica, rigen el comportamiento en la conjunción.

Un sistema de cojinete puede operar con cualquiera de los siguientes tres tipos de lubricación:

Lubricación en el límite: existe contacto real entre las superficies sólidas de las partes movible y fija del sistema de cojinetes, si bien hay una película de lubricante. Lubricación por película mixta: un zona de transición entre lubricación en el límite y lubricación por película completa.

Lubricación por película completa: las partes movible y fija del sistema de cojinetes está separada por una película completa de lubricante que soporta la carga. El término lubricación hidrodinámica se suele utilizar para describir este tipo.

Estos tres tipos de lubricación pueden encontrarse en un cojinete sin presurización externa de éste. Si al cojinete se le abastece de lubricante presurizado, se le denomina cojinete hidrostático, que se estudia por separado. No es recomendable correr superficies secas juntas a menos que exista lubricidad inherentemente satisfactoria entre los materiales que se enlazan.





Parámetros de cojinetes, μn/p

El rendimiento de un cojinete difiere en forma drástica, en función de qué tipo de lubricación se lleva a cabo. Existe un decremento considerable en el coeficiente de fricción cuando la operación cambia de lubricación en el límite a lubricación por película completa. El desgaste disminuye así mismo con la lubricación por película complete. Por tanto es pertinente que se comprendan las condiciones bajo las que se origina uno u otro tipo de lubricación. Generar una lubricación por película completa, la más recomendable de los tipos de lubricación, se prefiere cuando existen cargas ligeras, velocidad relativa alta entre las partes movibles y fijas y lubricantes de alta viscosidad que se abastecen en forma copiosa hacia los cojinetes. La viscosidad del lubricante se indica con μ, la velocidad de giro por medio de n y la carga en el cojinete mediante la presión p. La presión se calcula dividiendo la carga radial que se aplica en el cojinete entre el área proyectada del mismo, es decir el producto de multiplicar la longitud por el diámetro.





El efecto del parámetro de cojinete se puede observar en la figura anterior, donde se muestra el coeficiente de fricción f frente al valor de μn/p. Con valores bajos de μn/p se lleva a cabo lubricación en el límite y el coeficiente de fricción es alto entre 0.08 y 0.14. A valores altos de μn/p se genera una película hidrodinámica completa, y por lo general el valor de f se encuentra en el rango de 0.001 a 0.005. Entre la lubricación en el límite y la de película completa, se genera la lubricación mixta, que es una combinación de las dos anteriores. Es muy recomendable evitar la zona de película mixta porque es virtualmente imposible predecir cómo se trabajará el sistema de cojinetes. La curva en esta zona es muy pronunciada, por consiguiente el más mínimo cambio en cualquiera de los tres factores, μ, n o p, provoca un cambio considerable en el coeficiente de fricción lo que origina un rendimiento deficiente de la máquina.

CORREAS Y CADENAS

Introducción:

Las correas y, como se verá en posteriores capítulos, las cadenas, representan los tipos principales de elementos flexibles para transmitir potencia. A diferencia de los impulsores de engranajes, que requieren de distancias centrales espaciadas en forma, en alguna medida, reducida y precisa, los impulsores de correa y cadena son capaces de transmitir potencia entre ejes que se encuentran muy separadas. Además la distancia central es inherentemente ajustable y no necesita ser tan precisa como para los impulsores de engranajes. En general, los impulsores de cadena se utilizan donde las velocidades de giro son relativamente altas, como en la primera fase de reducción mediante un motor. La velocidad lineal de una correa es, por lo general, de 750-2000 metros por minuto. A velocidades más bajas, la tensión en la correa es demasiado alta. Para velocidades más altas, los efectos dinámicos como las fuerzas centrífugas y la vibración reducen la eficiencia de la correa y su vida útil. Los impulsores de cadena se emplean casi siempre a velocidades más bajas, con los consecuentes torques de mayor magnitud. Los eslabones de cadenas de acero tienen una alta resistencia a esfuerzos de tracción para que sean capaces de soportar las considerables fuerzas que resultan de un torque de alta magnitud. No obstante, a velocidades altas, el ruido, el impacto entre los eslabones de la cadena y los dientes de la rueda dentada así como la dificultad par brindar una lubricación adecuada se convierten en problemas severos. Por tanto, las bandas y las cadenas se complementan entre sí.

Tipos de correas

Una correa es un elemento flexible capaz de transmitir potencia que asienta en forma ajustada sobre un conjunto de poleas o poleas acanaladas. Cuando se utiliza para reducción de velocidad, el caso más común la polea acanalada más pequeña se monta en el eje de alta velocidad, como el eje de un motor eléctrico. La polea de mayor tamaño se monta en la máquina que es impulsada. La correa se diseña de manera que gire alrededor de las dos poleas sin deslizarse. La correa se instala colocándola entre las dos poleas mientras la distancia central entre ellas se reduce. Luego se separan las dos poleas acanaladas colocando la correa con una tensión inicial relativamente alta. Las correas son silenciosas a diferencia de las cadenas. Cuando se montan en grupos de varias correas y se rompe alguna de ellas, se deben sustituir todas porque las deformaciones procedentes de las antiguas hacen que la nueva trabaje a tensiones mayores. Cuando se transmite potencia, la fricción provoca que la banda se adhiera a la polea impulsora, y, a su vez, se incrementa la tensión en un lado al que se denomina “el lado pensionado del impulsor”. La fuerza de tracción que se genera en la banda ejerce una fuerza tangencial sobre la polea acanalada que es impulsada, por consecuencia, se aplica un torque al eje que es impulsado. El lado opuesto de la banda aún está en tensión, pero de menos valor. Por tanto se le da el nombre de “lado flojo”.



En el mercado se dispone de muchos tipos de correas; planas, dentadas, en V, correas dobles en V y correas múltiples en V. En la figura siguiente se muestran seis variedades distintas. La correa plana es la más simple, casi siempre se fabrica de piel o tela recubierta. La superficie de la polea acanalada también es plana y lisa, por consiguiente la fuerza impulsora está por la fricción entre la banda y la polea. Algunos diseñadores prefieren correas planas para máquinas delicadas porque la banda se deslizará si el torque tiende a incrementarse a un nivel lo suficiente alto para dañar la máquina. Las correas dentadas, a las que a veces se les da el nombre de bandas de temporización o sincronizadas, se desplazan sobre poleas provistas de ranuras con las que enlazan los dientes en el asiento de la banda. Este es un impulsor más positivo, sólo se ve limitada por la tensión por esfuerzo de tracción que se genera en la banda y la resistencia al esfuerzo de corte de los dientes de la banda. Algunas correas dentadas, se utilizan en poleas acanaladas en V. Los dientes le dan mayor flexibilidad y más eficiencia a las corres si se les compara con bandas estándar. Pueden operar con diámetros de polea más reducidos. Sin embargo, el tipo de banda que más se utiliza, sobre todo en impulsores industriales y aplicaciones en vehículos, es la banda en V que se ilustra en la figura a). La forma en V de la banda se inserta apretadamente en la ranura, ello aumenta la fricción y permite transmitir torques de magnitud considerable antes que se presente deslizamiento. Casi todas las correas tienen cuerdas de alta resistencia colocadas en el diámetro de paso de la sección transversal de la banda para incrementar la resistencia al esfuerzo de tracción de esta última. Las cuerdas, que se fabrican de fibras naturales, hebras sintéticas o acero, se impregnan con un compuesto de hule duro para proporcionar la flexibilidad que se requiere para permitir que la correa pase alrededor de la polea. A menudo se agrega una cubierta exterior de tela para darle una durabilidad satisfactoria de la correa.








Cadenas Al igual que las correas, las cadenas se utilizan para transmitir par entre ejes a gran distancia, cuando el uso de engranajes fuese costoso o con poco rendimiento. Con respecto a las correas se pueden señalar las siguientes ventajas e inconvenientes:

Ventajas

- La relación de transmisión media es constante, es decir, el eje conducido no se ha desfasado a lo largo del tiempo como ocurre con las correas. Esto impedía usarlas como correas de distribución, por ejemplo, lo que obligaba a utilizar cadena o engranajes hasta que se empezaron a utilizar las correas síncronas.

- Soportan mayores cargas.

- Necesitan menor tensión inicial, lo cual reduce las largas sobre los ejes.

- Mejor rendimiento.

Inconvenientes

- Mantenimiento más cuidadoso pues necesitan de lubricación.

- Montajes más preciso.

- Mayor coste.

- Más ruidosas.

FRENOS

El freno es un dispositivo que se usa para llevar al reposo un sistema en movimiento, para bajar su velocidad o para controlar su velocidad hasta un cierto valor en condiciones cambiantes. La función del freno consiste en convertir energía mecánica en calor. El diseño de frenos depende de incertidumbres sobre el valor del coeficiente de fricción, el cual se debe usar necesariamente. Entre los tipos de frenos existentes, destacan el freno de tambor, de disco y de banda.

Freno de tambor

Un freno de tambor típico se representa en la figura. La zapata se representa en trazo más grueso y el forro o recubrimiento es la porción de corona circular existente entre los ángulos α1 y α2, que es el material que fricciona con la zapata cuando a esta se le aplica un par de frenado T. En la figura α1 y α2 son datos del fabricante. La suma del ángulo ω y γ es un ángulo recto. La línea que delimita α1 y α2 representa el punto donde actúa la zapata en el tambor puesto que es perpendicular al segmento OO1. Si la zapata llega a A1 y avanza un diferencial de ángulo dα, el punto A1 llega a A, cuya proyección sobre la horizontal, B, supone un desplazamiento δ sobre dicha horizontal. El segmento AA1 es perpendicular al O1A1. Los ángulos β y υ son complementarios, es decir, juntos suman 90º. A partir de aquí se puede expresar lo siguiente:






Figura freno de tambor físicamente.


Frenos de disco

Las ecuaciones dadas para embragues de disco con miembros rígidos pueden adaptarse a los frenos de disco si al cojincillo del freno se le da la forma de un sector de círculo y los cálculos se hacen de manera correspondiente. Un análisis detallado del freno de disco da ecuaciones que conducen a pares que son ligeramente mayores que los que resultan de las ecuaciones para los embragues. Las cargas se equilibran situando cojincillos en ambos lados del disco. Para tener un mejor enfriamiento, el disco se hace hueco con una corriente de aire fluyendo alrededor.







Frenos de banda

En la figura se muestra un freno de banda, el cual consiste en una banda parcialmente enrollada ardedor de un tambor. El freno se activa asiendo firmemente la banda contra el tambor. Se supone que la banda está en contacto con el tambor sobre todo el ángulo cubierto φ en la figura. La fuerza de reacción en el perno está dada como F1 y la fuerza de accionamiento como F2. Como existe alguna fricción entre la banda y el tambor, la fuerza de accionamiento será menor que la fuerza de reacción del perno, es decir, F1>F2. En la figura de la derecha se representan las fuerzas que actúan sobre un elemento de la banda. Las fuerzas son la fuerza normal P y la fuerza de fricción F.









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