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Introducción
Diseñar: Es elaborar un plan para satisfacer una necesidad. El Diseño Mecánico es una materia que diseña una pieza mecánica, es la continuación de la estática, la dinámica y la resistencia de materiales. Si se aplican fuerzas a un cuerpo y no se produce movimiento, las reacciones que impiden el movimiento pueden calcularse aplicando las leyes de la estática. Si se produce movimiento, las aceleraciones y el movimiento pueden determinarse mediante la dinámica y si queremos saber el efecto de las fuerzas sobre los cuerpos que se deforman lo analizamos mediante la resistencia de materiales. Si queremos saber si un sistema, elemento o maquina pueda cumplir las funciones o necesidades es necesario tener presente algunas consideraciones en el proceso de diseño como:
- Resistencia de material
- Durabilidad
- Dimensiones
- Peso
- Acabado
- Confiabilidad
- Corrosión
- Temperatura
- Tecnología de fabricación
- Etc.
Escuela Nacional de Marina Mercante
DISEÑO MECÁNICO : Semana I y II
Docente : ARGUELLES TORRES , Miguel
Horario : lunes de 11 : 20 − 13 : 35
Bibliografía :
Diseño de ingenieríamecánica. Joseph Shigley. Ed. McGraw − Hill
Elementos de máquinas. G. Niemann. Ed. Labor
Proyecto de elementos de máquinas. M. F. Spotts. Ed. Reverte
Cuaderno Personal digital : Obligatorio
Consideren el siguiente sistema mostrado en la figura 1.1 en equilibrio; las reacciones de la viga BC que son debidas a las fuerzas ejercidas por la barra soporte AB y el poste CD, pueden determinarse aplicando los principios de la estática. Sin embargo, hay otras preguntas que puedan hacerse relacionadas con esta estructura. Algunas de las preguntas más obvias pueden ser:
- Sobre la viga BC : a) Si es una viga ya existente, ¿es lo suficientemente resistente para soportar las cargas aplicadas? b) ¿Se flexionará o deformará excesivamente? ¿Y cuál será la deflexión real? c) Si se va a diseñar (es decir, si se van a determinar sus dimensiones, materiales, forma, etc.), ¿qué forma y medidas son las más económicas y a la vez lo suficientemente seguras para evitar la contracción y la deflexión excesiva?
- Sobre la barra soporte AB : a) Si existe, ¿es lo suficientemente resistente para soportar la reacción en B? b) ¿Cuál es la máxima fuerza que puede soportar y cuanto se alargara? c) Si se va a diseñar ¿qué forma y dimensiones debe tomar la barra para prevenir la falla o una deflexión excesiva?
- Sobre el poste CD : a) Si existe, ¿es lo suficientemente resistente para soportar la reacción en C? b) ¿Cuál es la máxima fuerza que puede soportar? c) Si se va a diseñar ¿qué forma y dimensiones debe tomar la barra para prevenir la contracción?
- Sobre el pasador en A o en B: a) Si existe, ¿es lo suficientemente resistente para soportar la fuerza en la barra soporte? b) ¿Cuál es la máxima fuerza que puede soportar? c) Si se va a diseñar ¿qué tan grande debe ser? Preguntas de este tipo pueden contestarse mediante el estudio del diseño mecánico. Además de las preguntas ilustradas por la figura 1.1, hay una infinita variedad de aplicaciones apropiadas a todas las ramas de ingeniería y la arquitectura.
FACTOR DE SERVICIO
Antes de definir qué es el factor de servicio , debemos referirnos al estándar NEMA, que lo define así: El factor de servicio se expresa como un multiplicador el cual se aplica a la potencia de placa del motor, para indicar la carga que puede llevar en condiciones nominales de servicio. El factor de servicio es un numero próximo a la unidad por defecto como por exceso, toma en cuenta las condiciones de operación del elemento mecánico o dispositivo.
El factor de servicio toma el valor de la unidad ( f^.^ s^. =^1 ¿^ a condiciones normales de operación:
Nivel del mar
T = 20 ° C
Carga uniforme
8 a 10 hr / dia
15000 horas de vidaútil
MATERIALES
CODIGOS
ASTM : Sociedad norteamericana de prueba de materiales → de acuerdo a la aplicación
AISI : Instituto norteamericano del hierro y acero → de acuerdo a la composiciónquimica
SAE : Sociedad de ingenieros automotores → de acuerdo a la especialidad
PERFILES ESTRUCTURALES
SEMANA 3 y 4: UNIONES REMACHADAS
Una unión o conexión remachada es aquella en la que interviene un remache o roblón para unir piezas de cualquier material; básicamente se perforan las piezas a unir, para luego hacer pasar mediante el agujero originado el vástago del remache y finalmente se forja la cabeza de cierre en el otro extremo del remache mediante presión, para conseguir la unión deseada. Mecánicamente una unión remachada es considerada como una unión de tipo permanente, esto quiere decir que, una vez hecha la unión es difícil separarlas, además en caso sea necesario separarlas es posible que los materiales unidos, sufran daños considerables. Por lo tanto, las uniones remachadas deben ser usadas generalmente en casos donde requieran uniones que nunca necesiten ser separadas. Este tipo de uniones se emplean ampliamente en estructuras que estarán sometidas a grandes cargas o fuerzas de tipo cortantes y/o axiales, también en equipos que estarán sometidos a grandes fuerzas de presión, así como en instalaciones sometidas a considerables movimientos de vibración, pues se comportan mejor que las uniones de otro tipo, como las soldadas o las atornilladas. PARTES DE UN REMACHE Un remache consta de tres partes principales que veremos a continuación, cabe señalar que puede existir un tipo de remache especial que comprenda de más partes. Veamos:
1. Cabeza estampada La cabeza estampada de un remache es aquella que queda estancada en la superficie por donde ingresa el vástago del remache, es decir es la cabeza que viene ya moldeada de fábrica y su función básicamente es la de estancar al remache en su posición. 2. Vástago del remache El vástago de un remache es la parte generalmente cilíndrica que se introduce en el agujero que traspasa los cuerpos a unir; el vástago puede ser macizo o tubular de acuerdo a las necesidades y esfuerzos que debe soportar. Las dimensiones necesarias de un vástago serán proporcionales al agujero y el espesor de las piezas a unir.
Por otro lado, es el extremo del vástago quien por medio de forjado permitirá en su extremo, moldear la cabeza de cierre.
3. Cabeza de cierre Como su nombre indica, esta es la cabeza que resulta de moldear el extremo del vástago, una vez ha atravesado a las piezas a unir; por lo tanto esta no viene moldeada de fábrica. El proceso de moldeado será especificado tomando en cuenta las dimensiones del remache, el material y las respectivas situaciones que se pueden presentar. DE QUÉ MATERIAL ESTÁN HECHOS LOS REMACHES Y LAS UNIONES REMACHADAS Los materiales empleados en uniones remachadas deben ser resistentes a cargas cortantes y axiales a las que pueden ser sometidos. Con respecto a los materiales a unir, estos pueden ser por lo general: de acero, aluminio, titanio, polímeros, cuero, madera y entre otros. Los materiales de los que están hechos los remaches propiamente dichos, son por lo general de: aluminio, latón, cobre y acero. El aluminio es un metal ligero, resistente y de bajo costo en comparación con otros materiales, además posee una buena resistencia a la corrosión. El latón también es otro metal altamente deformable, posee una buena resistencia, durabilidad, resistencia a cambios de temperatura, además de alguna manera es un metal que posee auto lubricación. Cobre también es un metal bastante deformable y con alta durabilidad, sin embargo, posee una menor resistencia. El acero deformable es el material más usado cuando se trata de estructura que estará sometida a grandes esfuerzos, es muy resistente, sin embargo, es más difícil de moldear, por lo que requiere un tratamiento más costoso. Cabe señalar que el latón y el cobre se emplean en instalaciones que no exijan demasiada resistencia o que vayan a soportar cargas relativamente menores. PROCESO DE REMACHADO Básicamente, el proceso de remachado consta de cuatro pasos: Realizar el trabajo de taladrado a las piezas que serán unidas. Limpiar los restos de viruta o alguna imperfección en la superficie y contorno de los agujeros. Colocar el remache o roblón en el agujero. Conformar la cabeza de cierre en el otro extremo del remache. Para ejecutar el proceso de remachado debemos elegir la técnica adecuada ; dicha técnica depende de varios factores, como: los materiales, las fuerzas a las que estará sometido, las condiciones ambientales, el aspecto, etc. a continuación conozcamos las técnicas de remachado más conocidos. TÉCNICAS DE REMACHADO Remachado en caliente. - esta técnica consiste en calentar la cabeza de cierre a una elevada temperatura, de esta manera permite una mayor facilidad de deformación al momento de forjar la cabeza de cierre. Remachado en frio. - esta técnica se emplea en remaches de pequeñas dimensiones y baja resistencia a la deformación, no es necesario calentar la cabeza de cierre para poder deformarla. Remachado mecánico. - esta técnica hace uso de una maquina remachadora, puede ser una maquina neumática o hidráulica. Remachado manual. - haciendo uso de un martillo, se golpea la cabeza de cierre para formarla.
TIPOS DE FALLAS POR EFECTOS DE LAS FUERZAS ACTUANTES EN LAS UNIONES REMACHADAS:
Fallas de corte directo en el remache. - este tipo de falla, es producida por la fuerza de corte que ejercen los materiales unidos sobre el mismo remache, provocando un corte diametral en el vástago. Fallas por corte secundario en el remache. - esta falla es producida por una fuerza de corte rotacional sobre el remache, los elementos unidos tratan de cortar al remache debido a la presencia de una fuerza que trata de producir momento en las piezas unidas. Esto provoca que el remache sufra la acción de una fuerza que trata de cortarlo. Fallas por tracción (tensión) directo en el remache. - las fuerzas actuantes sobre el remache causan estiramiento longitudinal sobre ella, esto puede provocar una falla por tensión. Fallas debido a la tensión secundaria en el remache. - falla producida por el momento flector, una fuerza actúa indirectamente sobre el remache tratando de estirar al remache en una dirección ligeramente curvada. Rotura por tracción en la plancha. - este tipo de falla se produce en las planchas unidas, debido al agujero destinado para el remache; el hecho de separar material de los elementos a unir, hace que estos se debiliten en ese punto, haciéndolos más susceptibles a una falla. Rotura marginal en la plancha. - esta falla es producida por la presión que ejerce el remache sobre los elementos unidos, los elementos sufren una rotura y generalmente por la mala ubicación del remache casi cerca de un extremo. Rotura por aplastamiento en la plancha. - esta falla también es producida por la presión que ejerce el cilindro del remache sobre la superficie cilíndrica del agujero en la plancha. Aplicaciones de remaches y uniones remachadas Antes de empezar a mencionar las aplicaciones de las uniones remachadas, cabe señalar que su empleo en la industria se ha reducido considerablemente, todo ello gracias a la aparición de nuevas formas de unión permanente, como la bastante conocida soldadura eléctrica. Sin embargo los remaches o roblones son bastante empleados en ciertas industrias como: aeronáutica, naviera y construcción; específicamente en el montaje de estructuras como aviones, calderas, estructuras de puentes, edificios, electrónica y muchos más. La aplicación de remaches de cabeza esférica se da en estructuras metálicas como las armaduras. Los remaches de cabeza semiesférica son empleadas para unir juntas sólidas, en caso no se deseen cabezas salientes en las superficies, se avellanan ligeramente los agujeros para emplear remaches de cabeza entrante. Para juntas herméticas como en la producción de calderas, se emplean roblones de cabeza semiesférica baja, pues poseen mayor diámetro y menor altura en la cabeza. Los remaches semi entrantes son empleados en la unión de chapas de acero delgadas hasta de 4mm de grosor. En ambientes corrosivos se emplean remaches de cabeza plana y pueden ser formados en frio; por ejemplo, puede ser útil en depósitos, buques, etc.
Los remaches de duraluminio son empleados en el contrachapado de aeronaves. Los remaches semi tubulares pueden ser empleados para unir materiales no metálicos. En casos en las que solo se puede acceder por una sola cara de los elementos a unir, se pueden emplear los remaches de alojamiento. Los remaches distanciadores se utilizan para unir chapas que han de estar ligeramente separados una de la otra. Otro tipo de uniones son aquellas en las que interviene un remache que funciona de eje, sobre la cual rota un elemento en caso lo requiera, a estos se denominan remaches-ejes. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS UNIONES REMACHADAS Entre las principales ventajas de usar uniones remachadas tenemos: Se puede emplear para unir diferentes materiales No se aflojan Soportan vibraciones considerables Entre las desventajas podemos mencionar: No adecuado para unir elementos de gran espesor. Suelen ser más costosas que las uniones atornilladas o soldadas. Unión de tipo permanente que dificulta tareas de mantenimiento. CONCLUSIONES DE REMACHES E UNIONES REMACHADAS Para culminar el tema, podemos mencionar muchos aspectos importantes que hemos aprendido. Las uniones remachadas son uniones de tipo permanente que emplea como elemento de unión al remache o también conocido como roblón. Existen muchos tipos de remaches y se emplean de acuerdo a las necesidades y requerimientos técnicos. Los elementos unidos por remaches y tanto los remaches pueden sufrir fallos debido a los esfuerzos que deben soportar, definir adecuadamente las especificaciones y tolerancias es muy importante para evitar dichos fallos. Entre sus principales ventajas están: pueden unir diferentes materiales, soportar considerables movimientos de vibración y no se aflojan fácilmente, pueden ser utilizados cuando se tiene acceso por una sola cara de la unión. Entre sus principales aplicaciones están: estructuras metálicas de acero, la industria aeronáutica, recipiente de alta presión, calderas, además en la industria de las curtiembres es bastante utilizada para sujetar o también de adornos. Entre sus principales desventajas podemos mencionar que: es una unión permanente que dificulta el mantenimiento en caso lo requieran, suelen ser más costosas que las uniones atornilladas o soldadas. En fin, como hemos visto, los remaches son elementos muy importantes en ciertas industrias e instalaciones específicas que requieren de las ventajas que esta posee.
1.2 Corte directo no simple : n = 4 (cuatro remaches)
2. Tracción directa: Fi =
W. Ai
∑ A^ j 2.1 Tracción directa simple De donde:
Fi : Carga de tensión en el remache (1)
W: Carga total actuante en el sistema
Ai : Área del remache (1)
∑ A^ j :^ Área total de remaches Para el caso particular de áreas iguales:
2.2 Tracción indirecta
Parte I: Esfuerzo Cortante
Ejemplo 1. El Sistema muestra tres planchas de acero de ½” unidas por un perno de ¾” de diámetro. Determine: a) los esfuerzos de corte, tensión y flexión del perno. b) los esfuerzos de corte, tensión y flexión de la plancha c) Eficiencia de la unión Ejemplo 2. El Sistema muestra dos planchas de acero de ½” unidas por tres pernos de ¾” de diámetro. Determine los esfuerzos de corte, tensión y flexión del perno. Ejemplo 3. El Sistema muestra tres planchas de acero de 3/4” unidas por tres pernos de 1/2” de diámetro. Determine los esfuerzos de corte, tensión y flexión del perno si P = 240 kg.
