Diseño de máquinas :
Norton, Robert L.
Diseño de máquinas : un enfoque integrado / Robert L. Norton. - 4ta. - México : Prentice Hall, 2011. - 848 p. + 1 CD Rom.
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CAPÍTULO 1 DETERMINACIÓN DE CARGAS 1
1.0 INTRODUCCIÓN 3
1.1 CLASES DE CARGA 3
1.2 DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE 5
1.3 ANÁLISIS DE CARGAS 6
Análisis tridimensional 6
Análisis bidimensional 7
Análisis de cargas estáticas 8
1.4 ESTUDIOS DE CASO DE CARGA ESTÁTICA BIDIMENSIONAL 8
Estudio de Caso 1A: Análisis de carga de la palanca de freno manual de una bicicleta 9
Estudio de Caso 2A: Análisis de carga de una pinza de presión operada manualmente 14
Estudio de Caso 3A: Análisis de carga de un gato de tijera para automóvil 18
1.5 ESTUDIO DE CASO DE CARGA ESTÁTICA TRIDIMENSIONAL 23
Estudio de Caso 4A: Análisis de carga del brazo del freno de una bicicleta 24
1.6 ESTUDIO DE CASO DE CARGA DINÁMICA 28
Estudio de Caso 5A: Análisis de carga de un mecanismo de cuatro barras 28
1.7 CARGAS POR VIBRACIÓN 31
Frecuencia natural 32
Fuerzas dinámicas 34
Estudio de Caso 5B: Medición de la carga dinámica en el mecanismo de cuatro barras 35
1.8 CARGAS DE IMPACTO 36
Método de la energía 37
1.9 CARGA EN UNA VIGA 41
Cortante y momento 41
Funciones de singularidad 42
Superposición 52
1.10 RESUMEN 53
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 54
1.11 REFERENCIAS 55
1.12 REFERENCIAS WEB 56
1.13 BIBLIOGRAFÍA 56
1.14 PROBLEMAS 56
CAPÍTULO 2 ESFUERZO, DEFORMACIÓN UNITARIA Y DEFLEXIÓN 69
2.0 INTRODUCCIÓN 69
2.1 ESFUERZO 69
2.2 DEFORMACIÓN UNITARIA 73
2.3 ESFUERZOS PRINCIPALES 73
2.4 ESFUERZO PLANO Y DEFORMACIÓN PLANA 76
Esfuerzo plano 76
Deformación plana 76
2.5 CÍRCULOS DE MOHR 76
2.6 ESFUERZOS APLICADOS CONTRA ESFUERZOS PRINCIPALES 81
2.7 TENSIÓN AXIAL 82
2.8 ESFUERZO CORTANTE DIRECTO, ESFUERZOS DE CONTACTO Y DESGARRAMIENTO 83 Cortante directo 83
Presión de contacto directa 84
Falla por desgarramiento 84
2.9 VIGAS Y ESFUERZOS DE FLEXIÓN 84
Vigas con flexión pura 85
Cortante debido a cargas transversales 88
2.10 DEFLEXIÓN EN VIGAS 92
Deflexión por funciones de singularidad 94
Vigas estáticamente indeterminadas 101
2.11 MÉTODO DE CASTIGLIANO 103
Deflexión por el método de Castigliano 105
Determinación de reacciones redundantes con el método de Castigliano 105
2.12 TORSIÓN 107
2.13 ESFUERZOS COMBINADOS 113
2.14 RAZONES DEL RESORTE 115
2.15 CONCENTRACIÓN DEL ESFUERZO 116
Concentración de esfuerzo bajo carga estática 117
Concentración de esfuerzos con carga dinámica 118
Determinación de los factores de concentración de esfuerzos geométricos 118
Diseño para eliminar concentraciones de esfuerzos 121
2.16 COMPRESIÓN AXIAL: COLUMNAS 123
Razón de esbeltez 123
Columnas cortas 123
Columnas largas 123
Condiciones de extremo 125
Columnas intermedias 127
Columnas excéntricas 130
2.17 ESFUERZOS EN CILINDROS 133
Cilindros de pared gruesa 134
Cilindros de pared delgada 135
2.18 ESTUDIOS DE CASO DE ESFUERZO ESTÁTICO Y ANÁLISIS DE DEFLEXIÓN 135
Estudio de Caso 1B: Esfuerzo en la palanca del freno de una bicicleta y análisis de deflexión 136
Estudio de Caso 2B: Análisis de esfuerzo y deflexión de una pinza de presión 139
Estudio de Caso 3B: Análisis de esfuerzos y deflexiones en un gato de tijera para automóvil 144
Estudio de Caso 4B: Análisis de esfuerzo en el brazo del freno de una bicicleta 147
2.19 RESUMEN 151
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 154
2.20 REFERENCIAS 157
2.21 BIBLIOGRAFÍA 158
2.22 PROBLEMAS 158
CAPÍTULO 3 TEORÍAS DE FALLAS ESTÁTICAS 173
3.0 INTRODUCCIÓN 173
3.1 FALLA DE MATERIALES DÚCTILES BAJO CARGA ESTÁTICA 175
Teoría de Von Mises-Hencky o de energía de distorsión 176
Teoría del esfuerzo cortante máximo 182
Teoría del esfuerzo normal máximo 184
Comparación de datos experimentales con las teorías de fallas 184
3.2 FALLA DE MATERIALES FRÁGILES BAJO CARGAS ESTÁTICAS 188
Materiales uniformes y no uniformes 188 La teoría de Coulomb-Mohr 189
La teoría de Mohr modificada 190
3.3 MECÁNICA DE LA FRACTURA 195
Teoría de la mecánica de fractura 196
Tenacidad a la fractura Kc 199
3.4 USO DE TEORÍAS DE FALLA POR CARGA ESTÁTICA 203
3.5 ESTUDIOS DE CASO CON ANÁLISIS DE FALLAS ESTÁTICAS 204
Estudio de Caso 1C: Análisis de falla de la palanca del freno de una bicicleta 204
Estudio de Caso 2C: Análisis de falla de una pinza de presión 207
Estudio de Caso 3C: Análisis de fallas de un gato de tijera para automóvil 210
Estudio de Caso 4C: Factores de seguridad para el brazo del freno de una bicicleta 212
3.6 RESUMEN 215
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 216
3.7 REFERENCIAS 218
3.8 BIBLIOGRAFÍA 219
3.9 PROBLEMAS 220
CAPÍTULO 4 TEORÍAS DE FALLA POR FATIGA 233
4.0 INTRODUCCIÓN 233
Historia de las fallas por fatiga 233
4.1 MECANISMO DE LA FALLA POR FATIGA 236
Fase de inicio de la grieta 237
Fase de propagación de la grieta 237
Fractura 238
4.2 MODELOS DE FALLA POR FATIGA 239
Regímenes de fatiga 239
El procedimiento de esfuerzo-vida 241
El procedimiento deformación-vida 241
El procedimiento de LEFM 241
4.3 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE MÁQUINAS 242
4.4 CARGAS POR FATIGA 243
Carga en máquinas rotatorias 243
Carga de equipo en servicio 244
4.5 CRITERIO DE FALLA PARA MEDICIÓN DE LA FATIGA 245
Ciclo de esfuerzo invertido 246
Esfuerzos medio y alternativo combinados 252
Criterio de mecánica de la fractura 253
Pruebas en montajes reales 256
4.6 ESTIMACIÓN DEL CRITERIO DE FALLA POR FATIGA 257
Estimación de la resistencia a la fatiga teórica o el límite de resistencia a la fatiga 258
Factores de corrección para la resistencia a la fatiga teórica o el límite de resistencia a la fatiga 260
Cálculo de la resistencia a la fatiga corregida o límite de resistencia a la fatiga corregido 267
Creación de diagramas S-N estimados 267
4.7 MUESCAS Y CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS 272
Sensibilidad a la muesca 273
4.8 ESFUERZOS RESIDUALES 277
4.9 DISEÑO PARA LA FATIGA DE ALTO CICLO 282
4.10 DISEÑO PARA ESFUERZOS UNIAXIALES TOTALMENTE INVERTIDOS 282
Pasos de diseño para esfuerzo totalmente invertido con carga uniaxial 283
4.11 DISEÑO PARA ESFUERZOS UNIAXIALES FLUCTUANTES 290
Elaboración del diagrama de Goodman modificado 291
Aplicación de los efectos de concentración de esfuerzos con esfuerzos fluctuantes 294
Determinación del factor de seguridad con esfuerzos variables 296
Pasos de diseño para esfuerzos fluctuantes 299
4.12 DISEÑO PARA ESFUERZOS MULTIAXIALES DE FATIGA 306
Relaciones de frecuencia y fase 307
Esfuerzos multiaxiales simples totalmente invertidos 307
Esfuerzos multiaxiales fluctuantes simples 308
Esfuerzos multiaxiales complejos 309
4.13 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA EL DISEÑO CON FATIGA DE ALTO CICLO 311
4.14 ESTUDIO DE CASO DE DISEÑO POR FATIGA 316
Estudio de Caso 6: Rediseño de un transportador que falla en un telar a chorro de agua 317
4.15 RESUMEN 329
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 330
4.16 REFERENCIAS 333
4.17 BIBLIOGRAFÍA 336
4.18 PROBLEMAS 337
CAPÍTULO 5 FALLA DE SUPERFICIES 349
5.0 INTRODUCCIÓN 349
5.1 GEOMETRÍA DE LA SUPERFICIE 351
5.2 SUPERFICIES APAREADAS 353
5.3 FRICCIÓN 354
Efecto de la aspereza sobre la fricción 355
Efecto de la velocidad sobre la fricción 355
Fricción por rodamiento 355
Efecto del lubricante sobre la fricción 356
5.4 DESGASTE ADHESIVO 356
Coeficiente de desgaste adhesivo 359
5.5 DESGASTE ABRASIVO 360
Materiales abrasivos 363
Materiales con resistencia a la abrasión 363
5.6 DESGASTE POR CORROSIÓN 364
Fatiga por corrosión 365
Corrosión por frotamiento 365
5.7 FATIGA SUPERFICIAL 366
5.8 CONTACTO ESFÉRICO 368
Presión de contacto y huella de contacto en contacto esférico 368
Distribuciones del esfuerzo estático en el contacto esférico 370
5.9 CONTACTO CILÍNDRICO 374
Presión de contacto y huella de contacto en el contacto cilíndrico paralelo 374
Distribuciones de esfuerzo estático en el contacto cilíndrico paralelo 375
5.10 CONTACTO GENERAL 378
Presión de contacto y huella de contacto en el contacto general 378
Distribuciones de esfuerzos en el contacto general 380
5.11 ESFUERZOS DE CONTACTO DINÁMICOS 383
Efecto de la componente de deslizamiento sobre esfuerzos de contacto 383
5.12 MODELOS DE FALLA POR FATIGA SUPERFICIAL: CONTACTO DINÁMICO 391
5.13 RESISTENCIA A LA FATIGA SUPERFICIAL 394
5.14 RESUMEN 400
Diseño para evitar fallas superficiales 401
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 402
5.15 REFERENCIAS 404
5.16 PROBLEMAS 406
CAPÍTULO 6 EJES, CUÑAS Y ACOPLAMIENTOS 411
6.0 INTRODUCCIÓN 411
6.1 EJES CARGADOS 411
6.2 SUJECIONES Y CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS 413
6.3 MATERIALES PARA EJES 415
6.4 POTENCIA DEL EJE 415
6.5 CARGAS SOBRE EJES 416
6.6 ESFUERZOS EN EL EJE 416
6.7 FALLA DEL EJE POR CARGAS COMBINADAS 417
6.8 DISEÑO DE EJES 418
Consideraciones generales 418
Diseño para ciclo de flexión y torsión constantes invertidas 419
Diseño con flexión y torsión fluctuantes 421
6.9 DEFLEXIÓN EN EJES 428
Ejes como vigas 429
Ejes como barras de torsión 429
6.10 CUÑAS Y CUÑEROS 432
Cuñas paralelas 432
Cuñas cónicas 433
Cuñas Woodruff 434
Esfuerzos en cuñas 434
Materiales para cuñas 435
Diseño de cuñas 435
Concentraciones de esfuerzos en cuñeros 436
6.11 RANURAS 440
6.12 AJUSTES DE INTERFERENCIA 442
Esfuerzos en ajustes de interferencia 442
Concentración de esfuerzos en ajustes de interferencia 443
Desgaste por frotamiento con corrosión 444
6.13 DISEÑO DE VOLANTES 447
Variación de la energía en un sistema en rotación 448
Determinación de la inercia del volante 450
Esfuerzos en volantes 452
Criterio de falla 453
6.14 VELOCIDADES CRÍTICAS EN EJES 455
Vibración lateral de flechas y vigas: método de Rayleigh 458
Cabeceo de ejes 459
Vibración torsional 461
Dos discos sobre un eje común 462
Discos múltiples sobre una flecha común 463
Control de las vibraciones torsionales 464
6.15 ACOPLAMIENTOS 466
Acoplamientos rígidos 467
Acoplamientos flexibles 468
6.16 ESTUDIO DE CASO 470
Diseño del eje de transmisión de un compresor portátil de aire 470
Estudio de Caso 8B: Diseño preliminar de los ejes del tren de transmisión de un compresor 470
6.17 RESUMEN 474
6.18 REFERENCIAS 476
6.19 PROBLEMAS 477
CAPÍTULO 7 COJINETES Y LUBRICACIÓN 485
7.0 INTRODUCCIÓN 485
Advertencia 487
7.1 LUBRICANTES 487
7.2 VISCOSIDAD 489
7.3 TIPOS DE LUBRICACIÓN 490
Lubricación de película completa 491
Lubricación límite 493
7.4 COMBINACIONES DE MATERIALES EN COJINETES DE DESLIZAMIENTO 493
7.5 TEORÍA DE LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA 494
Ecuación de Petroff para torque sin carga 495
Ecuación de Reynolds para cojinetes planos excéntricos 496
Pérdida de torque y potencia en cojinetes planos 501
7.6 DISEÑO DE COJINETES HIDRODINÁMICOS 502
Diseño del factor de carga: El número de Ocvirk 502
Procedimientos de diseño 504
7.7 CONTACTOS NO CONCORDANTES 508
7.8 COJINETES DE ELEMENTOS RODANTES 515
Comparación de cojinetes rodantes y deslizantes 516
Tipos de cojinetes de elementos rodantes 516
7.9 FALLA DE COJINETES DE ELEMENTOS RODANTES 520
7.10 SELECCIÓN DE COJINETES DE ELEMENTOS RODANTES 521
Valor C de la carga dinámica básica 521
Valor modificado de la vida del cojinete 522
Valor C0 para carga estática básica 523
Cargas radiales y de empuje combinadas 524
Procedimientos de cálculo 525
7.11 DETALLES DEL MONTAJE DEL COJINETE 527
7.12 COJINETES ESPECIALES 528
7.13 ESTUDIO DE CASO 530
Estudio de Caso 10B: Diseño de cojinetes hidrodinámicos para un dispositivo de prueba de levas 530
7.14 RESUMEN 532
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 533
7.15 REFERENCIAS 535
7.16 PROBLEMAS 537
CAPÍTULO 8 ENGRANES RECTOS 543
8.0 INTRODUCCIÓN 543
8.1 TEORÍA DEL DIENTE DE ENGRANE 545
Ley fundamental del engranaje 545
Dientes con forma de involuta 546
Ángulo de presión 547
Geometría del engranaje 548
Piñón y cremallera 549
Cambio de la distancia entre centros 549
Holgura (juego) 551
Movimiento relativo del diente 551
8.2 NOMENCLATURA DEL DIENTE DEL ENGRANE 551
8.3 INTERFERENCIA Y REBAJE ENTRE DIENTES 554
Formas de dientes de adendo desigual 555
8.4 RAZÓN DE CONTACTO 556
8.5 TRENES DE ENGRANES 558
Trenes de engranes simples 558
Trenes de engranes compuestos 559
Trenes compuestos invertidos 560
Trenes de engranes planetarios o epicíclicos 561
8.6 MANUFACTURA DE ENGRANES 564
Formado de dientes de engrane 564
Maquinado 565
Procesos de rectificado 565
Procesos de acabado 567
Calidad del engrane 567
8.7 CARGA SOBRE ENGRANES RECTOS 568
8.8 ESFUERZOS EN ENGRANES RECTOS 570
Esfuerzos de flexión 571
Esfuerzos superficiales 580
8.9 MATERIALES PARA ENGRANES 584
Resistencia de materiales 585
Resistencias de la AGMA de fatiga a la flexión en materiales para engranes 586
Resistencias a la fatiga superficial de la AGMA para materiales de engranes 587
8.10 LUBRICACIÓN DE ENGRANAJES 594
8.11 DISEÑO DE ENGRANES RECTOS 594
8.12 ESTUDIO DE CASO 596
Estudio de Caso 8C: Diseño de engranes rectos para el tren impulsor de un compresor 596
8.13 RESUMEN 600
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 602
8.14 REFERENCIAS 603
8.15 PROBLEMAS 604
CAPÍTULO 9 ENGRANES HELICOIDALES, CÓNICOS Y DE TORNILLO SIN FIN 609
9.0 INTRODUCCIÓN 609
9.1 ENGRANES HELICOIDALES 609
Geometría del engrane helicoidal 611
Fuerzas en un engrane helicoidal 612
Número virtual de dientes 613
Razones de contacto 614
Esfuerzos en engranes helicoidales 614
9.2 ENGRANES CÓNICOS 622
Geometría y nomenclatura del engrane cónico 623
Montaje de un engrane cónico 624
Fuerzas sobre engranes cónicos 624
Esfuerzos en engranes cónicos 625
9.3 ENGRANES DE TORNILLOS SIN FIN 630
Materiales para engranajes sin fin 632
Lubricación de engranajes sin fin 632
Fuerzas en los engranajes sin fin 632
Geometría de un engranaje sin fin 632
Métodos de medición 633
Procedimiento de diseño de engranajes sin fin 635
9.4 ESTUDIO DE CASO 636
Estudio de Caso 9B: Diseño de un engranaje sin fi n de reducción de velocidad para la grúa de un malacate 636
9.5 RESUMEN 639
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 641
9.6 REFERENCIAS 643
9.7 PROBLEMAS 644
CAPÍTULO 10 DISEÑO DE RESORTES 647 10.0 INTRODUCCIÓN 647
10.1 CONSTANTE DE RESORTE 647
10.2 CONFIGURACIONES DE RESORTE 650
10.3 MATERIALES PARA RESORTES 652
Alambre para resortes 652
Resortes de tiras planas 655
10.4 RESORTES HELICOIDALES DE COMPRESIÓN 657
Longitudes del resorte 658 Detalles de extremos 658
Espiras activas 659
Índice de resorte 659
Deflexión del resorte 659
Constante de resorte 659
Esfuerzos en las espiras de un resorte helicoidal de compresión 660
Resortes con espiral helicoidal de alambre que no está redondeado 661
Esfuerzos residuales 662
Pandeo en resortes de compresión 664
Oscilación en resortes de compresión 664
Resistencias permisibles para resortes de compresión 665
Diagrama S-N de corte por torsión para el alambre de un resorte 666
Diagrama de Goodman modificado para un resorte de alambre 668
10.5 DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES DE COMPRESIÓN PARA CARGA ESTÁTICA 670
10.6 DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES DE COMPRESIÓN CON CARGA DE FATIGA 674
10.7 RESORTES HELICOIDALES DE EXTENSIÓN 682
Espiras activas en los resortes de extensión 683
Constante de resorte en resortes de extensión 683
Índice de resorte en los resortes de extensión 683
Precarga de la espira en resortes de extensión 683
Deflexión en resortes de extensión 684
Esfuerzos en la espira en resortes de extensión 684
Esfuerzos en los extremos en resortes de extensión 684
Oscilaciones en resortes de extensión 685
Resistencias de materiales para resortes de extensión 685
Diseño de resortes helicoidales de extensión 686
10.8 RESORTES HELICOIDALES DE TORSIÓN 693
Terminología de los resortes de torsión 694
Número de espiras en resortes de torsión 694
Deflexión en resortes de torsión 694
Constante de resorte en resortes de torsión 695
Cierre de la espira 695
Esfuerzos en la espira de resortes de torsión 695
Parámetros del material para resortes de torsión 696
Factores de seguridad para resortes de torsión 697
Diseño de resortes helicoidales de torsión 698
10.9 ARANDELAS PARA RESORTES BELLEVILLE 700
Función carga-deflexión en arandelas Belleville 702
Esfuerzos en arandelas Belleville 703
Carga estática en arandelas Belleville 704
Carga dinámica 704
Resortes apilados 704
Diseño de resortes Belleville 705
10.10 ESTUDIOS DE CASO 707
Diseño de un resorte de retorno en una máquina para probar levas 707
Estudio de Caso 10C: Diseño de un resorte de retorno del brazo seguidor de una leva 708
10.11 RESUMEN 712
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 713
10.12 REFERENCIAS 715
10.13 PROBLEMAS 716
CAPÍTULO 11 TORNILLOS Y SUJETADORES 721
11.0 INTRODUCCIÓN 721
11.1 PERFILES DE CUERDAS ESTÁNDARES 724
Área de esfuerzo a la tensión 725
Dimensiones estándares de cuerda 726
11.2 TORNILLOS DE POTENCIA 727
Cuerdas cuadradas, Acme y reforzadas 727
Aplicación de tornillos de potencia 728
Análisis de fuerza y torque en un tornillo de potencia 730
Coeficientes de fricción 731
Autobloqueo y retroceso en tornillos de potencia 732
Eficiencia del tornillo 733
Tornillos de bolas 734
11.3 ESFUERZOS EN CUERDAS 736
Esfuerzo axial 737
Esfuerzo cortante 737
Esfuerzo de torsión 738
11.4 TIPOS DE TORNILLOS SUJETADORES 738
Clasificación por su uso esperado 739
Clasificación por tipo de cuerda 739
Clasificación por forma de cabeza 739
Tuercas y arandelas 741
11.5 FABRICACIÓN DE SUJETADORES 742
11.6 RESISTENCIAS DE PERNOS ESTÁNDARES Y DE TORNILLOS DE MÁQUINA 743
11.7 SUJETADORES PRECARGADOS A LA TENSIÓN 744
Pernos precargados bajo carga estática 747
Pernos precargados bajo carga dinámica 752
11.8 DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE RIGIDEZ EN LA JUNTA 757
Juntas de dos placas del mismo material 759
Juntas con dos placas de materiales diferentes 760
Juntas con empaques 761
11.9 CONTROL DE LA PRECARGA 766
El método de giro de la tuerca 767
Sujetadores de torque limitado 767
Arandelas indicadoras de carga 767
Esfuerzos de torsión debidos a torques aplicados a los pernos 768
11.10 SUJETADORES EN CORTANTE 769
Pasadores de espiga 770
Centroides de grupos de sujetadores 771
Determinación de las cargas de cortante en sujetadores 772
11.11 ESTUDIO DE CASO 774
Diseño de los pernos de un compresor de aire 774
Estudio de Caso 8D: Diseño de los perros de un compresor de aire 774
11.12 RESUMEN 779
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 780
11.13 REFERENCIAS 782
11.14 BIBLIOGRAFÍA 783
11.15 PROBLEMAS 783
CAPÍTULO 12 SOLDADURA 789
12.0 INTRODUCCIÓN 789
12.1 PROCESOS DE SOLDADURA 791
Tipos de soldadura de uso común 792
¿Por qué un diseñador debe intervenir en el proceso de soldadura? 793
12.2 JUNTAS SOLDADAS Y TIPOS DE SOLDADURA 793
Preparación de la junta 795
Especificación de la soldadura 795
12.3 PRINCIPIOS DE DISEÑO DE SOLDADURA 796
12.4 CARGA ESTÁTICA EN SOLDADURAS 798
12.5 RESISTENCIA ESTÁTICA DE SOLDADURAS 798
Esfuerzos residuales en soldaduras 799
Dirección de la carga 799
Esfuerzo cortante permisible, en soldaduras de filete y con PJP cargadas estáticamente 799
12.6 CARGA DINÁMICA EN SOLDADURAS 802
Efecto del esfuerzo medio sobre la resistencia a la fatiga en un ensamble soldado 802
¿Son necesarios los factores de corrección para la resistencia a la fatiga de ensambles soldados? 802
Efecto de la configuración del ensamble soldado sobre la resistencia a la fatiga 803
¿Existe un límite de resistencia a la fatiga para las soldaduras? 807
¿Falla por fatiga en carga de compresión? 808
12.7 CONSIDERAR LA SOLDADURA COMO UNA LÍNEA 809
12.8 PATRONES DE SOLDADURAS CARGADAS EXCÉNTRICAMENTE 815
12.9 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA ENSAMBLES SOLDADOS EN MÁQUINAS 816
12.10 RESUMEN 817
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 818
12.11 REFERENCIAS 818
12.12 PROBLEMAS 819
CAPÍTULO 13 EMBRAGUES Y FRENOS 821
13.0 INTRODUCCIÓN 821
13.1 TIPOS DE FRENOS Y EMBRAGUES 823
13.2 SELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE EMBRAGUES Y FRENOS 828
13.3 MATERIALES PARA EMBRAGUES Y FRENOS 830
13.4 EMBRAGUES DE DISCO 830
Presión uniforme 831
Desgaste uniforme 831
13.5 FRENOS DE DISCO 833
13.6 FRENOS DE TAMBOR 834
Frenos de tambor con zapata externa 835
Frenos de tambor externos con zapata larga 837
Frenos de tambor con zapata interna larga 841
13.7 RESUMEN 841
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 843
13.8 REFERENCIAS 844
13.9 BIBLIOGRAFÍA 844
13.10 PROBLEMAS 845
ÍNDICE I-1
APÉNDICE A INTRODUCCIÓN AL DISEÑO
A.1 DISEÑO 849
Diseño de máquinas 849
iteración 851
A.2 EL PROCESO DE DISEÑO 851
A.3 PLANTEAMIENTO Y CÁLCULO DEL PROBLEMA 854
Etapa de definición 854
Etapa de diseño preliminar 854
Etapa de diseño detallado 855
Etapa de documentación 855
A.4 EL MODELO DE INGENIERIA 855
Estimación y análisis de primer orden 856
Los dibujos de ingeniería 856
A.5 INGENIERÍA Y DISEÑO ASISTIDOS POR COMPUTADORA 857
Diseño asistido por computadora (CAD) 857
Ingeniería asistida por computadora (CAE) 860
A.6 EL REPORTE DE INGENIERIA 862
A.7 FACTORES DE SEGURIDAD Y CÓDIGOS DE DISEÑO 862
Factor de seguridad 863
Elección de un factor de seguridad 864
Normas de diseño y seguridad 865
A.8 CONSIDERACIONES ESTADÍSITICAS 866
A.9 UNIDADES 867
A.10 RESUMEN
APÉNDICE B MATERIALES Y PROCESOS
B.0 INTRODUCCIÓN 875
B.1 DEFINICIONES DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 875
Pruebas de tensión 877
Esfuerzo y deformación
Módulo de elasticidad
Limite elástico
Resistencia a la fluencia
Resistencia última a la tensión
Ductilidad y fragilidad 879
La prueba de compresión 881
La prueba de flexión 881
la prueba de torsión 881
Módulo de rigidez
Resistencia última al corte
Resistencia a la fatiga y el límite de resistencia 883
Resistencia al impacto 884
Resilencia
Tenacidad
Prueba de impacto
Tenacidad a la fractura 886
Efecto de la termofluencia y temperatura 886
B.2 NATURALEZA ESTADÍSTICA DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 887
B.3 HOMOGENEIDAD E ISOTROPÍA 888
B.4 DUREZA 888
Tratamiento térmico 890
Dureza superficial (cementaciòn) 891
Tratamiento tèrmico de materiales no ferrosos 892
Conformado y endurecimiento mecánicos 892
B.5 TRATAMIENTO DE RECUBRIMIENTO Y SUPERFICIES 894
Acciòn galvánica 895
Electrochapas 896
Sin electrochapas 896
Anodizado 897
Recubrimiento de rociado por plasma 897
Revestimientos químicos 897
B.6 PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES 898
Hierro fundido 898
Aceros fundidos 899
Aceros forjados 899
Sistema de numeración del acero 900
Aluminio 902
Titanio 904
Magnesio 905
Aleaciones de cobre 905
B.7 PROPIEDADES GENERALES DE LOS NO METALES 906
Polímeros 906
Cerámicos 908
Compuestos 908
B.8 SELECCIÓN DE MATERIALES 909
B.9 RESUMEN 910
APÉNDICE C ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
C.0 INTRODUCCIÓN 919
Cálculo del esfuerzo y la deformación 920
C.1 MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO 921
C.2 TIPOS DE ELEMENTOS 923
Dimensión de un elemento y grado de libertad (DOF) 923
C.3 MALLADO 925
C.4 CONDICIONES DE FRONTERA 930
C.5 CARGAS APLICADAS 940
C.6 PRUEBA DEL MODELO (VERIFICACIÓN) 941
C.7 ANÁLISIS MODAL 944
C.8 ESTUDIOS DE CASO 946
C.9 RESUMEN 956
APÉNDICE D ESTUDIOS DE CASO DE DISEÑO
D.0 INTRODUCCIÓN 959
D.1 ESTUDIO DE CASO 8: COMPRESOR DE AIRE PORTÁTIL 960
D.2 ESTUDIO DE CASO 9: MALACATE PARA PACAS DE PAJA 963
D.3 ESTUDIO DE CASO 10: MÁQUINA DE PRUEBA DE LEVAS 967
D.4 RESUMEN 973
APÉNDICE E PROPIEDADES DE MATERIALES
Tabla E-1. Propiedades físicas de algunos materiales de ingeniería 986
Tabla E-2. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de aluminio forjado 986
Tabla E-3. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de aluminio fundido 987
Tabla E-4. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de cobre forjado y fundido 987
Tabla E-5. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de titanio 988
Tabla E-6. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de magnesio 988
Tabla E-7. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de hierro fundido 989
Tabla E-8. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de acero inoxidable 989
Tabla E-9. Propiedades mecánicas de algunos aceros al carbono 990
Tabla E-10. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de acero y acero para herramientas 991
Tabla E-11. Propiedades mecánicas de algunos plásticos de ingeniería 992
APÉNDICE F TABLAS DE VIGAS
APÉNDICE G FACTORES DE CONCENTRACIÓN DE ESFUERZO
APÉNDICE H RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS
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CAPÍTULO 1 DETERMINACIÓN DE CARGAS 1
1.0 INTRODUCCIÓN 3
1.1 CLASES DE CARGA 3
1.2 DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE 5
1.3 ANÁLISIS DE CARGAS 6
Análisis tridimensional 6
Análisis bidimensional 7
Análisis de cargas estáticas 8
1.4 ESTUDIOS DE CASO DE CARGA ESTÁTICA BIDIMENSIONAL 8
Estudio de Caso 1A: Análisis de carga de la palanca de freno manual de una bicicleta 9
Estudio de Caso 2A: Análisis de carga de una pinza de presión operada manualmente 14
Estudio de Caso 3A: Análisis de carga de un gato de tijera para automóvil 18
1.5 ESTUDIO DE CASO DE CARGA ESTÁTICA TRIDIMENSIONAL 23
Estudio de Caso 4A: Análisis de carga del brazo del freno de una bicicleta 24
1.6 ESTUDIO DE CASO DE CARGA DINÁMICA 28
Estudio de Caso 5A: Análisis de carga de un mecanismo de cuatro barras 28
1.7 CARGAS POR VIBRACIÓN 31
Frecuencia natural 32
Fuerzas dinámicas 34
Estudio de Caso 5B: Medición de la carga dinámica en el mecanismo de cuatro barras 35
1.8 CARGAS DE IMPACTO 36
Método de la energía 37
1.9 CARGA EN UNA VIGA 41
Cortante y momento 41
Funciones de singularidad 42
Superposición 52
1.10 RESUMEN 53
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 54
1.11 REFERENCIAS 55
1.12 REFERENCIAS WEB 56
1.13 BIBLIOGRAFÍA 56
1.14 PROBLEMAS 56
CAPÍTULO 2 ESFUERZO, DEFORMACIÓN UNITARIA Y DEFLEXIÓN 69
2.0 INTRODUCCIÓN 69
2.1 ESFUERZO 69
2.2 DEFORMACIÓN UNITARIA 73
2.3 ESFUERZOS PRINCIPALES 73
2.4 ESFUERZO PLANO Y DEFORMACIÓN PLANA 76
Esfuerzo plano 76
Deformación plana 76
2.5 CÍRCULOS DE MOHR 76
2.6 ESFUERZOS APLICADOS CONTRA ESFUERZOS PRINCIPALES 81
2.7 TENSIÓN AXIAL 82
2.8 ESFUERZO CORTANTE DIRECTO, ESFUERZOS DE CONTACTO Y DESGARRAMIENTO 83 Cortante directo 83
Presión de contacto directa 84
Falla por desgarramiento 84
2.9 VIGAS Y ESFUERZOS DE FLEXIÓN 84
Vigas con flexión pura 85
Cortante debido a cargas transversales 88
2.10 DEFLEXIÓN EN VIGAS 92
Deflexión por funciones de singularidad 94
Vigas estáticamente indeterminadas 101
2.11 MÉTODO DE CASTIGLIANO 103
Deflexión por el método de Castigliano 105
Determinación de reacciones redundantes con el método de Castigliano 105
2.12 TORSIÓN 107
2.13 ESFUERZOS COMBINADOS 113
2.14 RAZONES DEL RESORTE 115
2.15 CONCENTRACIÓN DEL ESFUERZO 116
Concentración de esfuerzo bajo carga estática 117
Concentración de esfuerzos con carga dinámica 118
Determinación de los factores de concentración de esfuerzos geométricos 118
Diseño para eliminar concentraciones de esfuerzos 121
2.16 COMPRESIÓN AXIAL: COLUMNAS 123
Razón de esbeltez 123
Columnas cortas 123
Columnas largas 123
Condiciones de extremo 125
Columnas intermedias 127
Columnas excéntricas 130
2.17 ESFUERZOS EN CILINDROS 133
Cilindros de pared gruesa 134
Cilindros de pared delgada 135
2.18 ESTUDIOS DE CASO DE ESFUERZO ESTÁTICO Y ANÁLISIS DE DEFLEXIÓN 135
Estudio de Caso 1B: Esfuerzo en la palanca del freno de una bicicleta y análisis de deflexión 136
Estudio de Caso 2B: Análisis de esfuerzo y deflexión de una pinza de presión 139
Estudio de Caso 3B: Análisis de esfuerzos y deflexiones en un gato de tijera para automóvil 144
Estudio de Caso 4B: Análisis de esfuerzo en el brazo del freno de una bicicleta 147
2.19 RESUMEN 151
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 154
2.20 REFERENCIAS 157
2.21 BIBLIOGRAFÍA 158
2.22 PROBLEMAS 158
CAPÍTULO 3 TEORÍAS DE FALLAS ESTÁTICAS 173
3.0 INTRODUCCIÓN 173
3.1 FALLA DE MATERIALES DÚCTILES BAJO CARGA ESTÁTICA 175
Teoría de Von Mises-Hencky o de energía de distorsión 176
Teoría del esfuerzo cortante máximo 182
Teoría del esfuerzo normal máximo 184
Comparación de datos experimentales con las teorías de fallas 184
3.2 FALLA DE MATERIALES FRÁGILES BAJO CARGAS ESTÁTICAS 188
Materiales uniformes y no uniformes 188 La teoría de Coulomb-Mohr 189
La teoría de Mohr modificada 190
3.3 MECÁNICA DE LA FRACTURA 195
Teoría de la mecánica de fractura 196
Tenacidad a la fractura Kc 199
3.4 USO DE TEORÍAS DE FALLA POR CARGA ESTÁTICA 203
3.5 ESTUDIOS DE CASO CON ANÁLISIS DE FALLAS ESTÁTICAS 204
Estudio de Caso 1C: Análisis de falla de la palanca del freno de una bicicleta 204
Estudio de Caso 2C: Análisis de falla de una pinza de presión 207
Estudio de Caso 3C: Análisis de fallas de un gato de tijera para automóvil 210
Estudio de Caso 4C: Factores de seguridad para el brazo del freno de una bicicleta 212
3.6 RESUMEN 215
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 216
3.7 REFERENCIAS 218
3.8 BIBLIOGRAFÍA 219
3.9 PROBLEMAS 220
CAPÍTULO 4 TEORÍAS DE FALLA POR FATIGA 233
4.0 INTRODUCCIÓN 233
Historia de las fallas por fatiga 233
4.1 MECANISMO DE LA FALLA POR FATIGA 236
Fase de inicio de la grieta 237
Fase de propagación de la grieta 237
Fractura 238
4.2 MODELOS DE FALLA POR FATIGA 239
Regímenes de fatiga 239
El procedimiento de esfuerzo-vida 241
El procedimiento deformación-vida 241
El procedimiento de LEFM 241
4.3 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE MÁQUINAS 242
4.4 CARGAS POR FATIGA 243
Carga en máquinas rotatorias 243
Carga de equipo en servicio 244
4.5 CRITERIO DE FALLA PARA MEDICIÓN DE LA FATIGA 245
Ciclo de esfuerzo invertido 246
Esfuerzos medio y alternativo combinados 252
Criterio de mecánica de la fractura 253
Pruebas en montajes reales 256
4.6 ESTIMACIÓN DEL CRITERIO DE FALLA POR FATIGA 257
Estimación de la resistencia a la fatiga teórica o el límite de resistencia a la fatiga 258
Factores de corrección para la resistencia a la fatiga teórica o el límite de resistencia a la fatiga 260
Cálculo de la resistencia a la fatiga corregida o límite de resistencia a la fatiga corregido 267
Creación de diagramas S-N estimados 267
4.7 MUESCAS Y CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS 272
Sensibilidad a la muesca 273
4.8 ESFUERZOS RESIDUALES 277
4.9 DISEÑO PARA LA FATIGA DE ALTO CICLO 282
4.10 DISEÑO PARA ESFUERZOS UNIAXIALES TOTALMENTE INVERTIDOS 282
Pasos de diseño para esfuerzo totalmente invertido con carga uniaxial 283
4.11 DISEÑO PARA ESFUERZOS UNIAXIALES FLUCTUANTES 290
Elaboración del diagrama de Goodman modificado 291
Aplicación de los efectos de concentración de esfuerzos con esfuerzos fluctuantes 294
Determinación del factor de seguridad con esfuerzos variables 296
Pasos de diseño para esfuerzos fluctuantes 299
4.12 DISEÑO PARA ESFUERZOS MULTIAXIALES DE FATIGA 306
Relaciones de frecuencia y fase 307
Esfuerzos multiaxiales simples totalmente invertidos 307
Esfuerzos multiaxiales fluctuantes simples 308
Esfuerzos multiaxiales complejos 309
4.13 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA EL DISEÑO CON FATIGA DE ALTO CICLO 311
4.14 ESTUDIO DE CASO DE DISEÑO POR FATIGA 316
Estudio de Caso 6: Rediseño de un transportador que falla en un telar a chorro de agua 317
4.15 RESUMEN 329
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 330
4.16 REFERENCIAS 333
4.17 BIBLIOGRAFÍA 336
4.18 PROBLEMAS 337
CAPÍTULO 5 FALLA DE SUPERFICIES 349
5.0 INTRODUCCIÓN 349
5.1 GEOMETRÍA DE LA SUPERFICIE 351
5.2 SUPERFICIES APAREADAS 353
5.3 FRICCIÓN 354
Efecto de la aspereza sobre la fricción 355
Efecto de la velocidad sobre la fricción 355
Fricción por rodamiento 355
Efecto del lubricante sobre la fricción 356
5.4 DESGASTE ADHESIVO 356
Coeficiente de desgaste adhesivo 359
5.5 DESGASTE ABRASIVO 360
Materiales abrasivos 363
Materiales con resistencia a la abrasión 363
5.6 DESGASTE POR CORROSIÓN 364
Fatiga por corrosión 365
Corrosión por frotamiento 365
5.7 FATIGA SUPERFICIAL 366
5.8 CONTACTO ESFÉRICO 368
Presión de contacto y huella de contacto en contacto esférico 368
Distribuciones del esfuerzo estático en el contacto esférico 370
5.9 CONTACTO CILÍNDRICO 374
Presión de contacto y huella de contacto en el contacto cilíndrico paralelo 374
Distribuciones de esfuerzo estático en el contacto cilíndrico paralelo 375
5.10 CONTACTO GENERAL 378
Presión de contacto y huella de contacto en el contacto general 378
Distribuciones de esfuerzos en el contacto general 380
5.11 ESFUERZOS DE CONTACTO DINÁMICOS 383
Efecto de la componente de deslizamiento sobre esfuerzos de contacto 383
5.12 MODELOS DE FALLA POR FATIGA SUPERFICIAL: CONTACTO DINÁMICO 391
5.13 RESISTENCIA A LA FATIGA SUPERFICIAL 394
5.14 RESUMEN 400
Diseño para evitar fallas superficiales 401
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 402
5.15 REFERENCIAS 404
5.16 PROBLEMAS 406
CAPÍTULO 6 EJES, CUÑAS Y ACOPLAMIENTOS 411
6.0 INTRODUCCIÓN 411
6.1 EJES CARGADOS 411
6.2 SUJECIONES Y CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS 413
6.3 MATERIALES PARA EJES 415
6.4 POTENCIA DEL EJE 415
6.5 CARGAS SOBRE EJES 416
6.6 ESFUERZOS EN EL EJE 416
6.7 FALLA DEL EJE POR CARGAS COMBINADAS 417
6.8 DISEÑO DE EJES 418
Consideraciones generales 418
Diseño para ciclo de flexión y torsión constantes invertidas 419
Diseño con flexión y torsión fluctuantes 421
6.9 DEFLEXIÓN EN EJES 428
Ejes como vigas 429
Ejes como barras de torsión 429
6.10 CUÑAS Y CUÑEROS 432
Cuñas paralelas 432
Cuñas cónicas 433
Cuñas Woodruff 434
Esfuerzos en cuñas 434
Materiales para cuñas 435
Diseño de cuñas 435
Concentraciones de esfuerzos en cuñeros 436
6.11 RANURAS 440
6.12 AJUSTES DE INTERFERENCIA 442
Esfuerzos en ajustes de interferencia 442
Concentración de esfuerzos en ajustes de interferencia 443
Desgaste por frotamiento con corrosión 444
6.13 DISEÑO DE VOLANTES 447
Variación de la energía en un sistema en rotación 448
Determinación de la inercia del volante 450
Esfuerzos en volantes 452
Criterio de falla 453
6.14 VELOCIDADES CRÍTICAS EN EJES 455
Vibración lateral de flechas y vigas: método de Rayleigh 458
Cabeceo de ejes 459
Vibración torsional 461
Dos discos sobre un eje común 462
Discos múltiples sobre una flecha común 463
Control de las vibraciones torsionales 464
6.15 ACOPLAMIENTOS 466
Acoplamientos rígidos 467
Acoplamientos flexibles 468
6.16 ESTUDIO DE CASO 470
Diseño del eje de transmisión de un compresor portátil de aire 470
Estudio de Caso 8B: Diseño preliminar de los ejes del tren de transmisión de un compresor 470
6.17 RESUMEN 474
6.18 REFERENCIAS 476
6.19 PROBLEMAS 477
CAPÍTULO 7 COJINETES Y LUBRICACIÓN 485
7.0 INTRODUCCIÓN 485
Advertencia 487
7.1 LUBRICANTES 487
7.2 VISCOSIDAD 489
7.3 TIPOS DE LUBRICACIÓN 490
Lubricación de película completa 491
Lubricación límite 493
7.4 COMBINACIONES DE MATERIALES EN COJINETES DE DESLIZAMIENTO 493
7.5 TEORÍA DE LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA 494
Ecuación de Petroff para torque sin carga 495
Ecuación de Reynolds para cojinetes planos excéntricos 496
Pérdida de torque y potencia en cojinetes planos 501
7.6 DISEÑO DE COJINETES HIDRODINÁMICOS 502
Diseño del factor de carga: El número de Ocvirk 502
Procedimientos de diseño 504
7.7 CONTACTOS NO CONCORDANTES 508
7.8 COJINETES DE ELEMENTOS RODANTES 515
Comparación de cojinetes rodantes y deslizantes 516
Tipos de cojinetes de elementos rodantes 516
7.9 FALLA DE COJINETES DE ELEMENTOS RODANTES 520
7.10 SELECCIÓN DE COJINETES DE ELEMENTOS RODANTES 521
Valor C de la carga dinámica básica 521
Valor modificado de la vida del cojinete 522
Valor C0 para carga estática básica 523
Cargas radiales y de empuje combinadas 524
Procedimientos de cálculo 525
7.11 DETALLES DEL MONTAJE DEL COJINETE 527
7.12 COJINETES ESPECIALES 528
7.13 ESTUDIO DE CASO 530
Estudio de Caso 10B: Diseño de cojinetes hidrodinámicos para un dispositivo de prueba de levas 530
7.14 RESUMEN 532
Ecuaciones importantes usadas en este capítulo 533
7.15 REFERENCIAS 535
7.16 PROBLEMAS 537
CAPÍTULO 8 ENGRANES RECTOS 543
8.0 INTRODUCCIÓN 543
8.1 TEORÍA DEL DIENTE DE ENGRANE 545
Ley fundamental del engranaje 545
Dientes con forma de involuta 546
Ángulo de presión 547
Geometría del engranaje 548
Piñón y cremallera 549
Cambio de la distancia entre centros 549
Holgura (juego) 551
Movimiento relativo del diente 551
8.2 NOMENCLATURA DEL DIENTE DEL ENGRANE 551
8.3 INTERFERENCIA Y REBAJE ENTRE DIENTES 554
Formas de dientes de adendo desigual 555
8.4 RAZÓN DE CONTACTO 556
8.5 TRENES DE ENGRANES 558
Trenes de engranes simples 558
Trenes de engranes compuestos 559
Trenes compuestos invertidos 560
Trenes de engranes planetarios o epicíclicos 561
8.6 MANUFACTURA DE ENGRANES 564
Formado de dientes de engrane 564
Maquinado 565
Procesos de rectificado 565
Procesos de acabado 567
Calidad del engrane 567
8.7 CARGA SOBRE ENGRANES RECTOS 568
8.8 ESFUERZOS EN ENGRANES RECTOS 570
Esfuerzos de flexión 571
Esfuerzos superficiales 580
8.9 MATERIALES PARA ENGRANES 584
Resistencia de materiales 585
Resistencias de la AGMA de fatiga a la flexión en materiales para engranes 586
Resistencias a la fatiga superficial de la AGMA para materiales de engranes 587
8.10 LUBRICACIÓN DE ENGRANAJES 594
8.11 DISEÑO DE ENGRANES RECTOS 594
8.12 ESTUDIO DE CASO 596
Estudio de Caso 8C: Diseño de engranes rectos para el tren impulsor de un compresor 596
8.13 RESUMEN 600
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 602
8.14 REFERENCIAS 603
8.15 PROBLEMAS 604
CAPÍTULO 9 ENGRANES HELICOIDALES, CÓNICOS Y DE TORNILLO SIN FIN 609
9.0 INTRODUCCIÓN 609
9.1 ENGRANES HELICOIDALES 609
Geometría del engrane helicoidal 611
Fuerzas en un engrane helicoidal 612
Número virtual de dientes 613
Razones de contacto 614
Esfuerzos en engranes helicoidales 614
9.2 ENGRANES CÓNICOS 622
Geometría y nomenclatura del engrane cónico 623
Montaje de un engrane cónico 624
Fuerzas sobre engranes cónicos 624
Esfuerzos en engranes cónicos 625
9.3 ENGRANES DE TORNILLOS SIN FIN 630
Materiales para engranajes sin fin 632
Lubricación de engranajes sin fin 632
Fuerzas en los engranajes sin fin 632
Geometría de un engranaje sin fin 632
Métodos de medición 633
Procedimiento de diseño de engranajes sin fin 635
9.4 ESTUDIO DE CASO 636
Estudio de Caso 9B: Diseño de un engranaje sin fi n de reducción de velocidad para la grúa de un malacate 636
9.5 RESUMEN 639
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 641
9.6 REFERENCIAS 643
9.7 PROBLEMAS 644
CAPÍTULO 10 DISEÑO DE RESORTES 647 10.0 INTRODUCCIÓN 647
10.1 CONSTANTE DE RESORTE 647
10.2 CONFIGURACIONES DE RESORTE 650
10.3 MATERIALES PARA RESORTES 652
Alambre para resortes 652
Resortes de tiras planas 655
10.4 RESORTES HELICOIDALES DE COMPRESIÓN 657
Longitudes del resorte 658 Detalles de extremos 658
Espiras activas 659
Índice de resorte 659
Deflexión del resorte 659
Constante de resorte 659
Esfuerzos en las espiras de un resorte helicoidal de compresión 660
Resortes con espiral helicoidal de alambre que no está redondeado 661
Esfuerzos residuales 662
Pandeo en resortes de compresión 664
Oscilación en resortes de compresión 664
Resistencias permisibles para resortes de compresión 665
Diagrama S-N de corte por torsión para el alambre de un resorte 666
Diagrama de Goodman modificado para un resorte de alambre 668
10.5 DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES DE COMPRESIÓN PARA CARGA ESTÁTICA 670
10.6 DISEÑO DE RESORTES HELICOIDALES DE COMPRESIÓN CON CARGA DE FATIGA 674
10.7 RESORTES HELICOIDALES DE EXTENSIÓN 682
Espiras activas en los resortes de extensión 683
Constante de resorte en resortes de extensión 683
Índice de resorte en los resortes de extensión 683
Precarga de la espira en resortes de extensión 683
Deflexión en resortes de extensión 684
Esfuerzos en la espira en resortes de extensión 684
Esfuerzos en los extremos en resortes de extensión 684
Oscilaciones en resortes de extensión 685
Resistencias de materiales para resortes de extensión 685
Diseño de resortes helicoidales de extensión 686
10.8 RESORTES HELICOIDALES DE TORSIÓN 693
Terminología de los resortes de torsión 694
Número de espiras en resortes de torsión 694
Deflexión en resortes de torsión 694
Constante de resorte en resortes de torsión 695
Cierre de la espira 695
Esfuerzos en la espira de resortes de torsión 695
Parámetros del material para resortes de torsión 696
Factores de seguridad para resortes de torsión 697
Diseño de resortes helicoidales de torsión 698
10.9 ARANDELAS PARA RESORTES BELLEVILLE 700
Función carga-deflexión en arandelas Belleville 702
Esfuerzos en arandelas Belleville 703
Carga estática en arandelas Belleville 704
Carga dinámica 704
Resortes apilados 704
Diseño de resortes Belleville 705
10.10 ESTUDIOS DE CASO 707
Diseño de un resorte de retorno en una máquina para probar levas 707
Estudio de Caso 10C: Diseño de un resorte de retorno del brazo seguidor de una leva 708
10.11 RESUMEN 712
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 713
10.12 REFERENCIAS 715
10.13 PROBLEMAS 716
CAPÍTULO 11 TORNILLOS Y SUJETADORES 721
11.0 INTRODUCCIÓN 721
11.1 PERFILES DE CUERDAS ESTÁNDARES 724
Área de esfuerzo a la tensión 725
Dimensiones estándares de cuerda 726
11.2 TORNILLOS DE POTENCIA 727
Cuerdas cuadradas, Acme y reforzadas 727
Aplicación de tornillos de potencia 728
Análisis de fuerza y torque en un tornillo de potencia 730
Coeficientes de fricción 731
Autobloqueo y retroceso en tornillos de potencia 732
Eficiencia del tornillo 733
Tornillos de bolas 734
11.3 ESFUERZOS EN CUERDAS 736
Esfuerzo axial 737
Esfuerzo cortante 737
Esfuerzo de torsión 738
11.4 TIPOS DE TORNILLOS SUJETADORES 738
Clasificación por su uso esperado 739
Clasificación por tipo de cuerda 739
Clasificación por forma de cabeza 739
Tuercas y arandelas 741
11.5 FABRICACIÓN DE SUJETADORES 742
11.6 RESISTENCIAS DE PERNOS ESTÁNDARES Y DE TORNILLOS DE MÁQUINA 743
11.7 SUJETADORES PRECARGADOS A LA TENSIÓN 744
Pernos precargados bajo carga estática 747
Pernos precargados bajo carga dinámica 752
11.8 DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE RIGIDEZ EN LA JUNTA 757
Juntas de dos placas del mismo material 759
Juntas con dos placas de materiales diferentes 760
Juntas con empaques 761
11.9 CONTROL DE LA PRECARGA 766
El método de giro de la tuerca 767
Sujetadores de torque limitado 767
Arandelas indicadoras de carga 767
Esfuerzos de torsión debidos a torques aplicados a los pernos 768
11.10 SUJETADORES EN CORTANTE 769
Pasadores de espiga 770
Centroides de grupos de sujetadores 771
Determinación de las cargas de cortante en sujetadores 772
11.11 ESTUDIO DE CASO 774
Diseño de los pernos de un compresor de aire 774
Estudio de Caso 8D: Diseño de los perros de un compresor de aire 774
11.12 RESUMEN 779
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 780
11.13 REFERENCIAS 782
11.14 BIBLIOGRAFÍA 783
11.15 PROBLEMAS 783
CAPÍTULO 12 SOLDADURA 789
12.0 INTRODUCCIÓN 789
12.1 PROCESOS DE SOLDADURA 791
Tipos de soldadura de uso común 792
¿Por qué un diseñador debe intervenir en el proceso de soldadura? 793
12.2 JUNTAS SOLDADAS Y TIPOS DE SOLDADURA 793
Preparación de la junta 795
Especificación de la soldadura 795
12.3 PRINCIPIOS DE DISEÑO DE SOLDADURA 796
12.4 CARGA ESTÁTICA EN SOLDADURAS 798
12.5 RESISTENCIA ESTÁTICA DE SOLDADURAS 798
Esfuerzos residuales en soldaduras 799
Dirección de la carga 799
Esfuerzo cortante permisible, en soldaduras de filete y con PJP cargadas estáticamente 799
12.6 CARGA DINÁMICA EN SOLDADURAS 802
Efecto del esfuerzo medio sobre la resistencia a la fatiga en un ensamble soldado 802
¿Son necesarios los factores de corrección para la resistencia a la fatiga de ensambles soldados? 802
Efecto de la configuración del ensamble soldado sobre la resistencia a la fatiga 803
¿Existe un límite de resistencia a la fatiga para las soldaduras? 807
¿Falla por fatiga en carga de compresión? 808
12.7 CONSIDERAR LA SOLDADURA COMO UNA LÍNEA 809
12.8 PATRONES DE SOLDADURAS CARGADAS EXCÉNTRICAMENTE 815
12.9 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA ENSAMBLES SOLDADOS EN MÁQUINAS 816
12.10 RESUMEN 817
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 818
12.11 REFERENCIAS 818
12.12 PROBLEMAS 819
CAPÍTULO 13 EMBRAGUES Y FRENOS 821
13.0 INTRODUCCIÓN 821
13.1 TIPOS DE FRENOS Y EMBRAGUES 823
13.2 SELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE EMBRAGUES Y FRENOS 828
13.3 MATERIALES PARA EMBRAGUES Y FRENOS 830
13.4 EMBRAGUES DE DISCO 830
Presión uniforme 831
Desgaste uniforme 831
13.5 FRENOS DE DISCO 833
13.6 FRENOS DE TAMBOR 834
Frenos de tambor con zapata externa 835
Frenos de tambor externos con zapata larga 837
Frenos de tambor con zapata interna larga 841
13.7 RESUMEN 841
Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo 843
13.8 REFERENCIAS 844
13.9 BIBLIOGRAFÍA 844
13.10 PROBLEMAS 845
ÍNDICE I-1
El siguiente material se encuentra en español en el sitio Web del libro:
APÉNDICE A INTRODUCCIÓN AL DISEÑO
A.1 DISEÑO 849
Diseño de máquinas 849
iteración 851
A.2 EL PROCESO DE DISEÑO 851
A.3 PLANTEAMIENTO Y CÁLCULO DEL PROBLEMA 854
Etapa de definición 854
Etapa de diseño preliminar 854
Etapa de diseño detallado 855
Etapa de documentación 855
A.4 EL MODELO DE INGENIERIA 855
Estimación y análisis de primer orden 856
Los dibujos de ingeniería 856
A.5 INGENIERÍA Y DISEÑO ASISTIDOS POR COMPUTADORA 857
Diseño asistido por computadora (CAD) 857
Ingeniería asistida por computadora (CAE) 860
A.6 EL REPORTE DE INGENIERIA 862
A.7 FACTORES DE SEGURIDAD Y CÓDIGOS DE DISEÑO 862
Factor de seguridad 863
Elección de un factor de seguridad 864
Normas de diseño y seguridad 865
A.8 CONSIDERACIONES ESTADÍSITICAS 866
A.9 UNIDADES 867
A.10 RESUMEN
APÉNDICE B MATERIALES Y PROCESOS
B.0 INTRODUCCIÓN 875
B.1 DEFINICIONES DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 875
Pruebas de tensión 877
Esfuerzo y deformación
Módulo de elasticidad
Limite elástico
Resistencia a la fluencia
Resistencia última a la tensión
Ductilidad y fragilidad 879
La prueba de compresión 881
La prueba de flexión 881
la prueba de torsión 881
Módulo de rigidez
Resistencia última al corte
Resistencia a la fatiga y el límite de resistencia 883
Resistencia al impacto 884
Resilencia
Tenacidad
Prueba de impacto
Tenacidad a la fractura 886
Efecto de la termofluencia y temperatura 886
B.2 NATURALEZA ESTADÍSTICA DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 887
B.3 HOMOGENEIDAD E ISOTROPÍA 888
B.4 DUREZA 888
Tratamiento térmico 890
Dureza superficial (cementaciòn) 891
Tratamiento tèrmico de materiales no ferrosos 892
Conformado y endurecimiento mecánicos 892
B.5 TRATAMIENTO DE RECUBRIMIENTO Y SUPERFICIES 894
Acciòn galvánica 895
Electrochapas 896
Sin electrochapas 896
Anodizado 897
Recubrimiento de rociado por plasma 897
Revestimientos químicos 897
B.6 PROPIEDADES GENERALES DE LOS METALES 898
Hierro fundido 898
Aceros fundidos 899
Aceros forjados 899
Sistema de numeración del acero 900
Aluminio 902
Titanio 904
Magnesio 905
Aleaciones de cobre 905
B.7 PROPIEDADES GENERALES DE LOS NO METALES 906
Polímeros 906
Cerámicos 908
Compuestos 908
B.8 SELECCIÓN DE MATERIALES 909
B.9 RESUMEN 910
APÉNDICE C ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
C.0 INTRODUCCIÓN 919
Cálculo del esfuerzo y la deformación 920
C.1 MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO 921
C.2 TIPOS DE ELEMENTOS 923
Dimensión de un elemento y grado de libertad (DOF) 923
C.3 MALLADO 925
C.4 CONDICIONES DE FRONTERA 930
C.5 CARGAS APLICADAS 940
C.6 PRUEBA DEL MODELO (VERIFICACIÓN) 941
C.7 ANÁLISIS MODAL 944
C.8 ESTUDIOS DE CASO 946
C.9 RESUMEN 956
APÉNDICE D ESTUDIOS DE CASO DE DISEÑO
D.0 INTRODUCCIÓN 959
D.1 ESTUDIO DE CASO 8: COMPRESOR DE AIRE PORTÁTIL 960
D.2 ESTUDIO DE CASO 9: MALACATE PARA PACAS DE PAJA 963
D.3 ESTUDIO DE CASO 10: MÁQUINA DE PRUEBA DE LEVAS 967
D.4 RESUMEN 973
APÉNDICE E PROPIEDADES DE MATERIALES
Tabla E-1. Propiedades físicas de algunos materiales de ingeniería 986
Tabla E-2. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de aluminio forjado 986
Tabla E-3. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de aluminio fundido 987
Tabla E-4. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de cobre forjado y fundido 987
Tabla E-5. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de titanio 988
Tabla E-6. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de magnesio 988
Tabla E-7. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de hierro fundido 989
Tabla E-8. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de acero inoxidable 989
Tabla E-9. Propiedades mecánicas de algunos aceros al carbono 990
Tabla E-10. Propiedades mecánicas de algunas aleaciones de acero y acero para herramientas 991
Tabla E-11. Propiedades mecánicas de algunos plásticos de ingeniería 992
APÉNDICE F TABLAS DE VIGAS
APÉNDICE G FACTORES DE CONCENTRACIÓN DE ESFUERZO
APÉNDICE H RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS
9786073205894
DISEÑO DE MAQUINAS
621.82/.85 N827 2011