Consideraciones en el diseño de un producto

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1 DISÑO D SISTMAS MCÁNICOS DISÑO D SISTMAS MCÁNICOS tapas de diseño de un producto Definición de la necesidad del producto Concepto original Diseño conceptual Análisis del diseño Modelos físicos analíticos Pruebas del prototipo valuación Diseño revisado valuación final Dibujos para producción specificación de materiales, selección del progreso del equipo, diseño construcción de herramientas matrices Manufactura Consideraciones en el diseño de un producto () Diseño medio ambiental Actualmente por la concienciación con el medio ambiente ha de ser mu tenida en cuenta (maor aceptación de los clientes normativa medio ambiental). mpleo de materiales biodegradables o fáciles de reciclar. () conomía l motor de las empresas son las ganancias. Maor beneficiomenor costo de producción. () Consideraciones legales Cumplimiento de la normativa existente frente a posibles reclamaciones. Productos sin violación de patentes o potencialmente peligrosos para usuarios. (4) Comercialización Analizar cualidades que quieren el cliente forma de presentación. Productos adecuados al usuario final. (5) Mantenimiento Si existen averías Se pueden reparar en el lugar o enviar al fabricante?. Complejidad de la máquinala lealtad del cliente a largo plazo se verá comprometida. (6) Calidad n la actualidad la calidad total es mu importante en la sociedad. Seguridad de no enviar productos defectuosos

2 DISÑO D SISTMAS MCÁNICOS jemplo: Consideraciones en diseño de motosierra recíproca Diseño original: 4 partes 6,7 minutos tiempo de ensamblaje Diseño modificado: 9 partes,58 minutos tiempo de ensamblaje Referencia: B.J. Hamrock, lementos de máquina, Mc-GrawHill, 999 DISÑO D SISTMAS MCÁNICOS jemplo diseño de una máquina o mecanismo Pequeña fábrica de Castilla - La Mancha dedicada a la fabricación de postes. squema actual de la línea de fabricación Material Alimentadora Tren laminación Cortadora Actualmente: Operarios retiran cada perfil una vez cortado. Necesidad: Un mecanismo que retire el perfil automáticamente una vez cortado hacia un lateral donde apilarán. 4

3 DISÑO D SISTMAS MCÁNICOS DISÑO D SISTMAS MCÁNICOS tapas de diseño de la solución: (0) studio preliminar elección de mecanismo. De todas las opciones posible es opta por un mecanismo de cuatro barras con una traectoria determinada del empujador. () studio geométrico del mecanismo. Síntesis del mecanismo para cada posición de giro del motor eléctrico. Se deberá evaluar la interferencia de masa empujada posición de recogida (Teoría de máquinas). () Croquis más preciso del dispositivo. () Determinación parámetros del mecanismo. Cargas sobre el mecanismo, material escogido para las barras, secciones, articulaciones, rodamientos, (lementos de máquinas). (4) legir el motor. Buscar el motor caja reductora comerciales para los requerimientos de la máquina diseñada a partir del par revoluciones requeridos (lectrotécnica). (5) Comprobar la fiabilidad de la máquina. Se deberá evaluar que los elementos diseñados no tienen deformaciones excesivas o desgastes que pueden producir una rotura prematura (lementos de máquinas). Solución ejemplo: Mecanismo de 4 barras ω motor 5 6

4 Distintos modos de fallo de un sistema mecánico Para el diseño de un sistema mecánico ha que determinar los distintos elementos para que no se produzca su fallo en servicio. Tipos principales de fallo. Deformación elástica 8. Desgaste. Fluencia 9. Impacto. Picado 0. Frotamiento 4. Rotura dúctil. Creep (Fluencia viscosa) 5. Rotura frágil. Relajación térmica 6. Fatiga. Rotura por tensión. 7. Corrosión 4. Choque térmico. 7 jemplo: Tubería empotrada en pared n una tubería se aplica una fuerza F en su extremo determinar los efectos en el empotramiento Recordatorio Mecánica: Reducción del sistema en el empotramiento (origen del sistema) tenemos: O i i i F F FK O i 8 i M OP F BI AJ FK AFI + BFJ ( ) ( ) Carga Normal (F x ) F x 0 Carga Cortante (F F z ) F 0 F z -F Momento Torsor (M x ) M x AF Mom. flector (M M z ) M BF M z 0

5 Determinación de tensiones para un sist.mecánico Recordatorio: Determinación de fuerzas en estructuras (Mecánica-stática structuras). Determinación de diagramas de cortantes momentos flectores (structuras). Determinación de tensiones en elemento (Resistencia de materiales). Axial: Para una fuerza F (tensión o compresión), es uniforme en toda la sección de área A: Flexión: Para un momento flector M en una sección toma el valor: M I donde es la distancia desde la fibra neutra I el momento de inercia del área. l valor máximo se produce a la maor distancia de la fibra neutra: M W donde W igual a I/ es el módulo resistente 9 F A Cortante: Para un cortante V aplicado en una sección A, la tensión tangencial máxima, se obtiene por la expresión: 0 V k A donde k es un factor que depende de la geometría de la sección. Tiene un valor máximo en el eje neutro. Torsión: Para un momento torsor T, la tensión tangencial máxima se produce en perímetro de la sección. Se puede poner: Tr K J donde J es el momento polar de la sección, r la distancia al centro de la sección, k es un factor que depende de la geometría de la sección. A J/r es el módulo resistente a cortante. Así: T W P

6 Flexión cortante: Flexión: ocurre en puntos de 0 (Periferia). Cortante: en puntos de 0 (je neutro). Se deben buscar tensiones equivalentes en dos puntos: eq eq Flexión torsión: Flexión torsión ocurren en perímetro de la sección. Por lo tanto tensión equivaelente: eq + Flexión en dos ejes: Para una flexión en dos ejes principales z, (tensión ocurre en el perímetro): M M z + z Iz I Tenemos (barra circular): M + M z eq W ε ε Criterios de Fallo ε Material isótropo ε υ( + ) ( ) ε ( υ( + ) ) ε ( υ( + ) ) jes principales: > > ε > ε > ε Tensión εdeformación F A nsaos: Resistencia de Materiales No se puede ensaar para todas las condiciones de trabajo. nsaos Axiales: Se obtienen los límites de fluencia a tracción ( ) compresión ( ).

7 Teoría de la tensión máxima (Rankine-Lamé): l material plastificará cuando la tensión principal máxima alcance el valor o mínima. ' Presión hidrostática: Cortante: p (Rompería con ) (l criterio no funciona experimentalmente 0.56) Teoría máxima deformación (Poncelet): l material dúctil plastifica con la máxima deformación (elongación) alcanza el valor del ensao de tracción o bien cuando la máxima deformación (contracción) alcanza el valor de compresión. ' ε ε ε ε ε ( υ( + ) ) ε ' ' ε ( υ( + ) ) ε Presión hidrostática: p ' p (No realidad, aguanta más) υ Cortante: ' (Para acero υ0. rompería con 0.77) + υ Teoría tensión tangencial máxima (Tresca-Guest): l material plastificará cuando la tensión tangencial máxima alcance el valor del ensao de tracción: TNSIÓN QUIVALNT: Para un plano con :, Caso tensión plana: + eq Presión hidrostática: Cortante: 4 p (No rompería nunca) eq 4 n 0.5 Coincide bastante con resultados experimentales 4

8 Teoría de la máxima energía de distorsión o Criterio de Von-Misses: l material plastificará cuando se acumula tanta energía de distorsión como en el ensao a tracción. La energía elástica: U ( ε+ ε + ε) La plastificación ocurre cuando: + + ( ) ( ) ( ) Caso de tensión plana ( 0) (Tensión Cortante ): + + θ + Presión hidrostática: Cortante: p eq + 0 (No rompería nunca) Mu aproximado con la realidad luego tenemos eq n (Bien) Tensiones máximas para diferentes secciones Sección Axial Flexión Cortante Torsión F M V T k A W A WP A W k W P B b d d i d b d h h H π d 4 π d 4 4 π ( d d π d i ) ( n ) 4 - bh BH bh b nd i /d ( + n+ n ) ( + n ) 4 π d bd - 6 bh 6 BH bh 6H V A alma π d π d 6 ( n ) 4 6 π d bd 6 bh +,8n n b/ h bht m m min b ( b+ B)/ m hm ( h+ H)/ t min espesor min 5 6

9 Coeficientes de seguridad nsaos: Resistencia de Materiales Grupo de muestras se obtiene un distribución gaussiana o normal p(x) Factor de seguridad n s d donde: es el esfuerzo normal permisible d es el esfuerzo normal obtenido en el diseño. µ 5 µ 4 µ µ µ µ µ+ µ+ µ+ µ+4 µ+5 f ( ( x x ) e µ π ) < x < + Probabilidades de un intervalo [µ-k µ µ+k] de una función Gaussiana para los valores más típicos de Valor de k 4 x l factor de seguridad existen muchos métodos para su determinación, uno de los más extendido es el método Pugsle: n n n s sx s donde: n sx depende de las carácterísticas A, B C A: Calidad de los materiales, destreza, mantenimiento e inspección B: Control sobre la carga aplicada C: xactitud del análisis del esfuerzo, información experimental o dispositivos similares n s depende de las carácterísticas D D: Peligro para personas : Impacto económico Prob[µ-k µ µ+k] Prob[ x >k] (sto mismo ocurre con las cargas estáticas) 7 8

10 n s nsxns Factor de seguridad Característica B mb b R p Cmb Amb Cb Cr Cp Cmb Ab Cb Cr Cp Cmb Ar Cb Cr Cp Cmb Ap Cb Cr Cp mbmu bien, bbien, rregular ppobre Caract. D ns s ms ns.0..4 s.0..5 ms..4.6 msmu serio, sserio nsno serio 9