1. MaterialMdulo deelasticidad EMpsi GPaMdulo derigidez GMpsi GPaRelacinde Poisson vPeso unitario wlb/pulg3 lb/ft3 kN/m3Constantes fsicas de materialesAluminio (todas las aleaciones)Cobre al berilioLatnAcero al carbonoFundicin de hierro (gris)CobreAbeto DouglasVidrioInconelPlomoMagnesioMolibdenoMetal MonelNquel plataAcero al niquelBronce fosforadoAcero inoxidable (18-8)10.318.015.430.014.517.21.66.731.05.36.548.026.018.530.016.127.671.0124.0106.0207.0100.0119.011.046.2214.036.544.8331.0179.0127.0207.0111.0190.03.807.05.8211.56.06.490.62.711.01.92.417.09.57.011.56.010.626.248.340.179.341.444.74.118.675.813.116.5117.065.548.379.341.473.10.3340.2850.3240.2920.2110.3260.330.2450.2900.4250.3500.3070.3200.3220.2910.3490.3050.0980.2970.3090.2820.2600.3220.0160.0940.3070.4110.0650.3680.3190.3160.2800.2950.2801695135344874505562816253071011263655154648451048426.680.683.876.570.687.34.325.483.3111.517.6100.086.685.876.080.176.0

2. Diseo eningenieramecnicade Shigley 3. Diseo eningenieramecnicade ShigleyOctava edicinRichard G. BudynasProfesor emritoKate Gleason College of EngineeringRochester Institute of TechnologyJ. Keith NisbettProfesor asociado de Ingeniera MecnicaUniversidad de MissouriRollaRevisin tcnica:Miguel ngel Ros SnchezDepartamento de Ingeniera MecnicaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superioresde Monterrey, campus Estado de MxicoMXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRIDNUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILNMONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO 4. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezEditora de desarrollo: Lorena Campa RojasSupervisor de produccin: Zeferino Garca GarcaTraduccin: Jess Elmer Murrieta MurrietaEfrn Alatorre MiguelDISEO EN INGENIERA MECNICA DE SHIGLEYOctava edicinProhibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.DERECHOS RESERVADOS 2008 respecto a la octava edicin en espaol porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.Edifi cio Punta Santa FeProlongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D. F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736ISBN-10: 970-10-6404-6ISBN-13: 978-970-10-6404-7Traducido de la octava edicin en ingls de la obra SHIGLEYS MECHANICAL ENGINEERING DESING, by RichardG. Budynas and J. Keith Nisbett. Copyright 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reservedISBN-13: 978-0-07-312193-2ISBN edicin anterior en espaol: 970-10-3646-81234567890 09765432108Impreso en Mxico Printed in Mexico 5. DedicatoriaA mi familia y buenos amigos, en especial a mi esposaJoanne, quien realmente le da significado a todo esto.Tambin, al sinnmero de estudiantes con quienes he teni-doel placer de trabajar a travs de los aos.Richard G. BudynasA mi padre, quien comparti conmigo sus habilidadescomo operador de mquinas, me demostr la curiosidadde un ingeniero, y nunca dud en su reconocimiento de porqu cualquiera de estos aspectos tiene un significado.J. Keith Nisbett 6. viiiDedicatoria a Joseph Edward ShigleyJoseph Edward Shigley (1909-1994) es indudablemente una de las personas ms conocidasy respetadas por sus aportaciones a la enseanza del diseo de mquinas. Fue autor o coautorde ocho libros, incluyendo Theory of Machines and Mechanisms (con John J. Uicker, Jr.),y Handbook of Machine Design. Comenz con Machine Design como autor nico en 1956,hasta que el texto evolucion hasta convertirse en Mechanical Engineering Design (Diseoen ingeniera mecnica), con el que se estableci el modelo para este tipo de libros de texto.Contribuy con las primeras cinco ediciones de este libro, junto con los coautores LarryMitchell y Charles Mischke. Un nmero incontable de estudiantes a lo largo del mundo tie-nensu primer encuentro con el diseo de mquinas a travs del libro de texto de Shigley, quese ha convertido en un verdadero clsico. Prcticamente todos los ingenieros mecnicos delpasado medio siglo han hecho referencia a terminologa, ecuaciones o procedimientos comoprovenientes de Shigley. McGraw-Hill tiene el honor de haber trabajado con el ProfesorShigley durante ms de cuarenta aos, y como un tributo a su ltima contribucin a estelibro, su ttulo reflejar de manera oficial el nombre que muchas personas ya le dan al texto:Diseo en ingeniera mecnica de Shigley.Despus de haber recibido ttulos en Ingeniera Elctrica e Ingeniera Mecnica por laUniversidad Purdue y una maestra en ciencias en ingeniera mecnica por la Universidadde Michigan, el profesor Shigley realiz una carrera acadmica en el Clemson College, de1936 a 1954. Esto lo condujo a su puesto como profesor y jefe de diseo mecnico y dibujoen dicha institucin. Se uni al magisterio del Departamento de Ingeniera Mecnica de laUniversidad de Michigan en 1956, donde permaneci durante veintids aos hasta su retiroen 1978.El profesor Shigley obtuvo el rango de catedrtico de la Sociedad Estadounidense deIngenieros Mecnicos (ASME) en 1968. Recibi el premio del Comit de Mecanismos de laASME en 1974, la medalla Worcester Reed Warner por su destacada contribucin a la litera-turapermanente para ingeniera en 1977, y el premio para el Diseo de Mquinas de la ASMEen 1985.Joseph Edward Shigley ciertamente marc la diferencia. Su legado perdurar. 7. Acerca de los autoresRichard G. Budynas es profesor emrito del Colegio de Ingeniera Kate Gleason en elInstituto de Tecnologa Rochester. Tiene ms de 40 aos de experiencia en la enseanza y laprctica del diseo para ingeniera mecnica. Es el autor de un libro de texto de McGraw-Hill, Advanced Strength and Applied Stress Analysis, segunda edicin; y coautor de un librode referencia reciente para McGraw-Hill, Roarks Formulas for Stress and Strain, sptimaedicin. Recibi el grado de Licenciatura en Ingeniera Mecnica en el Union College,el de Maestra en la Universidad de Rochester y el de Doctorado en la Universidad deMassachussets. Es ingeniero profesional con licencia en el estado de Nueva York.J. Keith Nisbett es profesor asociado y catedrtico asociado de Ingeniera Mecnica en laUniversidad de Missouri en Rolla. Tiene ms de 20 aos de experiencia en el uso y la ense-anzade este libro clsico. Como lo demuestran los continuos premios a la enseanza que harecibido, incluyendo el premio que otorga el gobernador para la excelencia en la enseanza,est dedicado a encontrar formas de comunicar conceptos a los estudiantes. Recibi el gradode licenciatura, maestra y doctorado de la Universidad de Texas en Arlington.ix 8. xContenido brevePrefacio xviiParte 1 Fundamentos 21 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 32 Materiales 273 Anlisis de carga y esfuerzo 674 Defl exin y rigidez 141Parte 2 Prevencin de fallas 2045 Fallas resultantes de carga esttica 2056 Fallas por fatiga resultantes de carga variable 257Parte 3 Diseo de elementos mecnicos 3467 Ejes, fl echas y sus componentes 3478 Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes 3959 Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes 45710 Resortes mecnicos 49911 Cojinetes de contacto rodante 54912 Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin 59713 Engranes: descripcin general 65314 Engranes rectos y helicoidales 71315 Engranes cnicos y de tornillo sinfn 76516 Embragues, frenos, coples y volantes 80517 Elementos mecnicos fl exibles 85918 Caso de estudio: transmisin de potencia 913Parte 4 Herramientas de anlisis 93219 Anlisis de elementos fi nitos 93320 Consideraciones estadsticas 957 9. ApndicesA Tablas tiles 983B Respuestas a problemas seleccionados 1039ndice 1044Contenido breve xi 10. ContenidoxiiPrefacio xviiParte 1 Fundamentos 21 Introduccin al diseo en laingeniera mecnica 31-1 El diseo 41-2 El diseo en la ingeniera mecnica 51-3 Fases e interacciones del proceso de diseo 51-4 Herramientas y recursos de diseo 81-5 Responsabilidades profesionales del ingeniero dediseo 101-6 Normas y cdigos 121-7 Economa 121-8 Seguridad y responsabilidad legaldel producto 151-9 Esfuerzo y resistencia 151-10 Incertidumbre 161-11 Factor de diseo y factor de seguridad 171-12 Confiabilidad 181-13 Dimensiones y tolerancias 191-14 Unidades 211-15 Clculos y cifras significativas 221-16 Especificaciones del estudio del casotransmisin de potencia 23Problemas 242 Materiales 272-1 Resistencia y rigidez del material 282-2 Significancia estadstica de las propiedades de losmateriales 322-3 Resistencia y trabajo en fro 332-4 Dureza 362-5 Propiedades de impacto 372-6 Efectos de la temperatura 392-7 Sistemas de numeracin 402-8 Fundicin en arena 412-9 Moldeado en cascarn 422-10 Fundicin de revestimiento 422-11 Proceso de metalurgia de polvos 422-12 Procesos de trabajo en caliente 432-13 Procesos de trabajo en fro 442-14 Tratamiento trmico del acero 442-15 Aceros aleados 472-16 Aceros resistentes a la corrosin 482-17 Materiales para fundicin 492-18 Metales no ferrosos 512-19 Plsticos 542-20 Materiales compuestos 552-21 Seleccin de materiales 56Problemas 633 Anlisis de cargay esfuerzo 673-1 Equilibrio y diagramas de cuerpo libre 683-2 Fuerza cortante y momentos flexionantes envigas 713-3 Funciones de singularidad 733-4 Esfuerzo 753-5 Componentes cartesianos del esfuerzo 753-6 Crculo de Mohr del esfuerzo plano 763-7 Esfuerzo tridimensional general 823-8 Deformacin unitaria elstica 833-9 Esfuerzos uniformemente distribuidos 843-10 Esfuerzos normales para vigas en flexin 853-11 Esfuerzos cortantes para vigas en flexin 903-12 Torsin 953-13 Concentracin del esfuerzo 1053-14 Esfuerzos en cilindros presurizados 1073-15 Esfuerzos en anillos rotatorios 1103-16 Ajustes a presin y por contraccin 1103-17 Efectos de la temperatura 1113-18 Vigas curvas en flexin 1123-19 Esfuerzos de contacto 1173-20 Resumen 121Problemas 121 11. Contenido xiii4 Deflexin y rigidez 1414-1 Constantes de resorte 1424-2 Tensin, compresin y torsin 1434-3 Deflexin debida a flexin 1444-4 Mtodos para calcular la deflexin en vigas 1464-5 Clculo de la deflexin en vigaspor superposicin 1474-6 Clculo de la deflexin de una viga por funcionesde singularidad 1504-7 Energa de deformacin 1564-8 Teorema de Castigliano 1584-9 Deflexin de elementos curvos 1634-10 Problemas estticamente indeterminados 1684-11 Elementos sometidos a compresin-general 1734-12 Columnas largas con carga centrada 1734-13 Columnas de longitud intermedia con cargacentrada 1764-14 Columnas con carga excntrica 1764-15 Puntales o elementos cortos sometidos acompresin 1804-16 Estabilidad elstica 1824-17 Choque e impacto 1834-18 Cargas aplicadas en forma sbita 184Problemas 186Parte 2 Prevencin de fallas 2045 Fallas resultantes de cargaesttica 2055-1 Resistencia esttica 2085-2 Concentracin del esfuerzo 2095-3 Teoras de falla 2115-4 Teora del esfuerzo cortante mximo paramateriales dctiles 2115-5 Teora de la energa de distorsin para materialesdctiles 2135-6 Teora de Mohr-Coulomb para materialesdctiles 2195-7 Resumen de fallas para materiales dctiles 2225-8 Teora del esfuerzo normal mximo para materialesfrgiles 2265-9 Modificaciones a la teora de Mohr para materialesfrgiles 2275-10 Resumen de fallas de materiales frgiles 2295-11 Seleccin de criterios de falla 2305-12 Introduccin a la mecnica de la fractura 2315-13 Anlisis estocstico 2405-14 Ecuaciones de diseo importantes 246Problemas 2486 Fallas por fatiga resultantesde carga variable 2576-1 Introduccin a la fatiga en metales 2586-2 Enfoque de la falla por fatiga en el anlisis y eldiseo 2646-3 Mtodos de la fatiga-vida 2656-4 Mtodo del esfuerzo-vida 2656-5 Mtodo de la deformacin-vida 2686-6 Mtodo mecnico de la fractura lineal-elstica2706-7 Lmite de resistencia a la fatiga 2746-8 Resistencia a la fatiga 2756-9 Factores que modifican el lmite de resistencia a lafatiga 2786-10 Concentracin del esfuerzo y sensibilidad a lamuesca 2876-11 Caracterizacin de esfuerzos fluctuantes 2926-12 Criterios de la falla por fatiga ante esfuerzosvariables 2956-13 Resistencia a la fatiga por torsin bajo esfuerzosfluctuantes 3096-14 Combinaciones de modos de carga 3096-15 Esfuerzos variables y fluctuantes; dao por fatigaacumulada 3136-16 Resistencia a la fatiga superficial 3196-17 Anlisis estocstico 3226-18 Resumen de ecuaciones de diseo importantes parael mtodo del esfuerzo-vida 336Problemas 340Parte 3 Diseo de elementos mecnicos 3467 Ejes, flechas y suscomponentes 3477-1 Introduccin 3487-2 Materiales para fabricar ejes 3487-3 Configuracin del eje 3497-4 Diseo de ejes para el esfuerzo 3547-5 Consideraciones sobre deflexin 3677-6 Velocidades crticas de ejes 3717-7 Componentes diversos de los ejes 3767-8 Lmites y ajustes 383Problemas 388 12. 8 Tornillos, sujetadores ydiseo de uniones nopermanentes 3958-1 Normas y definiciones de roscas 3968-2 Mecnica de los tornillos de potencia 4008-3 Sujetadores roscados 4088-4 Uniones: rigidez del sujetador 4108-5 Uniones: rigidez del elemento 4138-6 Resistencia del perno 4178-7 Uniones a tensin: la carga externa 4218-8 Relacin del par de torsin del perno con la tensindel perno 4228-9 Uniones a tensin cargada en forma esttica conprecarga 4258-10 Uniones con empaque 4298-11 Carga por fatiga de uniones a tensin 4298-12 Uniones con pernos y remaches cargadas encortante 435Problemas 4439 Soldadura, adhesiny diseo de unionespermanentes 4579-1 Smbolos de soldadura 4589-2 Soldaduras a tope y de filete 4609-3 Esfuerzos en uniones soldadas sujetas atorsin 4649-4 Esfuerzos en uniones soldadas sujetas aflexin 4699-5 Resistencia de las uniones soldadas 4719-6 Carga esttica 4749-7 Carga por fatiga 4789-8 Soldadura por resistencia 4809-9 Uniones con adhesivo 480Problemas 48910 Resortes mecnicos 49910-1 Esfuerzos en resortes helicoidales 50010-2 Efecto de curvatura 50110-3 Deflexin de resortes helicoidales 50210-4 Resortes de compresin 50210-5 Estabilidad 50410-6 Materiales para resortes 50510-7 Diseo de resortes helicoidales de compresin paraservicio esttico 51010-8 Frecuencia crtica de resortes helicoidales 51610-9 Carga por fatiga de resortes helicoidales acompresin 51810-10 Diseo de un resorte helicoidal de compresin paracarga por fatiga 52110-11 Resortes de extensin 52410-12 Resortes de espiras helicoidales de torsin 53210-13 Resortes Belleville 53910-14 Resortes diversos 54010-15 Resumen 542Problemas 54211 Cojinetes de contactorodante 54911-1 Tipos de cojinetes 55011-2 Vida de los cojinetes 55311-3 Efecto carga-vida del cojinete a confiabilidadnominal 55411-4 Supervivencia del cojinete: confiabilidad contravida 55511-5 Relacin carga-vida-confiabilidad 55711-6 Cargas combinadas, radial y de empuje 55911-7 Carga variable 56411-8 Seleccin de cojinetes de bolas y de rodilloscilndricos 56811-9 Seleccin de cojinetes de rodillos cnicos 57111-10 Evaluacin del diseo de cojinetes de contactorodante seleccionados 58211-11 Lubricacin 58611-12 Montaje y alojamiento 587Problemas 59112 Cojinetes de contactodeslizante y lubricacin 59712-1 Tipos de lubricacin 59812-2 Viscosidad 59912-3 Ecuacin de Petroff 60112-4 Lubricacin estable 60312-5 Lubricacin de pelcula gruesa 60412-6 Teora hidrodinmica 60512-7 Consideraciones de diseo 60912-8 Relaciones entre las variables 61112-9 Condiciones de estado estable en cojinetesautocontenidos 62512-10 Holgura 62812-11 Cojinetes con lubricacin a presin 63012-12 Cargas y materiales 636xiv Contenido 13. 12-13 Tipos de cojinetes 63812-14 Cojinetes de empuje 63912-15 Cojinetes de lubricacin lmite 640Problemas 64913 Engranes: descripcingeneral 65313-1 Tipos de engranes 65413-2 Nomenclatura 65513-3 Accin conjugada 65713-4 Propiedades de la involuta 65813-5 Fundamentos 65813-6 Relacin de contacto 66413-7 Interferencia 66513-8 Formacin de dientes de engranes 66713-9 Engranes cnicos rectos 67013-10 Engranes helicoidales paralelos 67113-11 Engranes de tornillo sinfn 67513-12 Sistemas de dientes 67613-13 Trenes de engranes 67813-14 Anlisis de fuerzas: engranes rectos 68513-15 Anlisis de fuerzas: engranes cnicos 68913-16 Anlisis de fuerzas: engranes helicoidales 69213-17 Anlisis de fuerzas: engranes de tornillosinfn 694Problemas 70014 Engranes rectos yhelicoidales 71314-1 Ecuacin de flexin de Lewis 71414-2 Durabilidad de la superficie 72314-3 Ecuaciones del esfuerzo AGMA 72514-4 Ecuaciones de resistencia AGMA 72714-5 Factores geomtricos I y J (ZI y YJ) 73114-6 Coeficiente elstico Cp (ZE) 73614-7 Factor dinmico Kv 73614-8 Factor de sobrecarga Ko 73814-9 Factores de la condicin superficialCf (ZR) 73814-10 Factor de tamao Ks 73914-11 Factor de distribucin de la cargaKm (KH) 73914-12 Factor de relacin de la dureza CH 74114-13 Factores de los ciclos de esfuerzosYN y ZN 74214-14 Factor de confiabilidad KR (YZ) 743Contenido xv14-15 Factor de temperatura KT (Y ) 74414-16 Factor de espesor del aro KB 74414-17 Factores de seguridad SF y SH 74514-18 Anlisis 74514-19 Diseo de un acoplamiento de engranes 755Problemas 76015 Engranes cnicos y detornillo sinfn 76515-1 Engranes cnicos: descripcin general 76615-2 Esfuerzos y resistencias en engranes cnicos 76815-3 Factores de la ecuacin AGMA 77115-4 Anlisis de engranes cnicos rectos 78315-5 Diseo de un acoplamiento de engranes cnicosrectos 78615-6 Engranes de tornillo sinfn: ecuacin AGMA 78915-7 Anlisis de un engrane de tornillo sinfn 79315-8 Diseo del acoplamiento de un engrane y untornillo sinfn 79715-9 Carga del desgaste de Buckingham 800Problemas 80116 Embragues, frenos, coples yvolantes 80516-1 Anlisis esttico de embragues y frenos 80716-2 Embragues y frenos de tambor de expansininterna 81216-3 Embragues y frenos de contraccin externa 82016-4 Embragues y frenos de banda 82416-5 Embragues axiales de friccin por contacto 82516-6 Frenos de disco 82916-7 Embragues y frenos cnicos 83316-8 Consideraciones sobre energa 83616-9 Aumento de temperatura 83716-10 Materiales de friccin 84116-11 Otros tipos de embragues y coples 84416-12 Volantes de inercia 846Problemas 85117 Elementos mecnicosflexibles 85917-1 Bandas 86017-2 Transmisiones de banda plana o redonda 86317-3 Bandas en V 87817-4 Bandas de sincronizacin 88617-5 Cadenas de rodillos 887 14. 17-6 Cables metlicos 89617-7 Ejes flexibles 904Problemas 90518 Caso de estudio: transmisinde potencia 91318-1 Secuencia de diseo para transmisin depotencia 91518-2 Requisitos de potencia y par de torsin 91618-3 Especificaciones de engranes 91618-4 Diseo del eje 92318-5 Anlisis de fuerzas 92518-6 Seleccin del material del eje 92518-7 Diseo del eje para esfuerzos 92618-8 Diseo del eje para deflexin 92618-9 Seleccin de cojinetes 92718-10 Seleccin de cua y anillo de retencin 92818-11 Anlisis final 931Problemas 931Parte 4 Herramientas de anlisis 93219 Anlisis de elementosfinitos 93319-1 Mtodo del elemento finito 93519-2 Geometras del elemento 93719-3 Proceso de solucin del elemento finito 93919-4 Generacin de malla 94219-5 Aplicacin de carga 94419-6 Condiciones de frontera 94519-7 Tcnicas de modelado 94619-8 Esfuerzos trmicos 94919-9 Carga de pandeo crtica 94919-10 Anlisis de vibracin 95119-11 Resumen 952Problemas 95420 Consideracionesestadsticas 95720-1 Variables aleatorias 95820-2 Media aritmtica, variancia y desviacinestndar 96020-3 Distribuciones de probabilidad 96520-4 Propagacin del error 97220-5 Regresin lineal 974Problemas 977ApndicesA Tablas tiles 983B Respuestas a problemasseleccionados 1039ndice 1044xvi Contenido 15. PrefacioObjetivosEste libro se escribi para estudiantes que inician su estudio del diseo en ingeniera mec-nica.El enfoque est en la combinacin del desarrollo fundamental de conceptos con laespecificacin prctica de componentes. Los estudiantes debern encontrar que este librolos conduce de manera inherente a familiarizarse tanto con las bases para tomar decisiones,como tambin con las normas para componentes industriales. Por esta razn, cuando los estu-diantespasen a ser ingenieros practicantes, se darn cuenta que este texto es indispensablecomo referencia. Los objetivos del texto son: Cubrir los conceptos bsicos del diseo de mquinas, incluyendo el proceso de diseo, laingeniera mecnica y de materiales, la prevencin de fallas bajo carga esttica y variable,as como tambin las caractersticas de los principales tipos de elementos mecnicos. Ofrecer un enfoque prctico sobre el tema a travs de una gran variedad de aplicacionesreales y ejemplos. Estimular al lector para que vincule el diseo con el anlisis. Incentivar al lector para que relacione los conceptos fundamentales con la especificacinde componentes prcticos.Lo nuevo en esta edicinLa octava edicin ha sido mejorada en los siguientes aspectos significativos: Nuevo captulo sobre el mtodo del elemento finito. En respuesta a muchas peticionesde los revisores, en esta edicin se presenta un captulo introductorio sobre el mtodo delelemento finito. El objetivo de este captulo es proporcionar una visin general de la termi-nologa,el mtodo, las capacidades y las aplicaciones de esta herramienta en el entorno deldiseo. Nuevo estudio de caso de transmisin. En ocasiones, la separacin tradicional de los temasen captulos hace que los estudiantes se pierdan cuando llega el momento de integrar temasdependientes en un proceso de diseo ms grande. Por esa razn se incorpora un extensocaso de estudio a travs de ejemplos resueltos en mltiples captulos, lo cual culmina conun nuevo captulo en el que se analiza y se demuestra la integracin de las partes en unproceso de diseo completo. Los problemas resueltos que son relevantes para el caso deestudio, se presentan sobre un fondo de papel de ingeniera, para poder identificarlos conrapidez como parte del caso de estudio. Cobertura revisada y expandida del diseo de ejes. Como complemento al nuevo caso deestudio de transmisin se tiene un captulo significativamente revisado y expandido quese enfoca en aspectos relevantes para el diseo de ejes. El objetivo de ello es proporcionaruna presentacin significativa que permita a un nuevo diseador pasar a travs de todo elproceso de diseo de ejes: desde la configuracin general del eje hasta la especificacin desus dimensiones. Ahora, este captulo se ha colocado inmediatamente despus del captulosobre fatiga, lo que brinda la oportunidad de una transicin continua desde el tema de fatigahasta su aplicacin en el diseo de ejes.xvii 16. xviii Prefacio Disponibilidad de informacin para completar los detalles de un diseo. Se hace un nfasisadicional en asegurar que el diseador sea capaz de llevar a cabo el proceso hasta su termi-nacin.Mediante la asignacin de problemas de diseo ms grandes en clase, los autoreshan identificado los puntos en los que a los estudiantes les hacen falta ciertos detalles. Porejemplo, ahora se proporciona informacin para detalles tales como la especificacin decuas que transmitan par de torsin, los factores de concentracin del esfuerzo para cuerosy ranuras de anillos de retencin, y las deflexiones permisibles para engranes y cojinetes. Sehace nfasis en el uso de catlogos por Internet y dispositivos de bsqueda de componentesde ingeniera para la obtencin de especificaciones de componentes actuales. Perfeccionamiento de la presentacin. La cobertura del material contina perfeccionn-dosepara enfocarse en la presentacin directa del desarrollo del concepto y un procedi-mientode diseo que sea claro para los estudiantes.Cambios y reorganizacin del contenidoEn la parte final del libro, se ha agregado una nueva parte 4, Herramientas de anlisis, paraincluir el nuevo captulo sobre elementos finitos y el captulo sobre consideraciones esta-dsticas.Con base en una encuesta entre profesores, el consenso fue mover estos captulosal final del libro donde estarn disponibles para aquellos profesores que deseen usarlos. Lareubicacin del captulo sobre estadstica ocasiona que se renumeren los captulos del 2 al 7.Como el captulo sobre ejes se ha reubicado inmediatamente despus del captulo de fatiga,los captulos sobre componentes (del 8 al 17) mantienen su misma numeracin. A continua-cinse describe la nueva organizacin, y se hacen comentarios breves sobre los cambios enel contenido.Parte 1: FundamentosEn la parte 1 se proporciona una introduccin lgica y unificada al material bsico necesariopara el diseo de mquinas. Los captulos de la parte 1 han recibido una limpieza completapara perfeccionar y agudizar el enfoque, as como para eliminar confusiones. Captulo 1, Introduccin. Se ha retirado cierto material obsoleto e innecesario. Una nuevaseccin sobre especificacin del problema introduce el caso de estudio de transmisin. Captulo 2, Materiales. Se introduce informacin nueva sobre la seleccin de materialesen un proceso de diseo. Se incluyen las grficas de Ashby, a las cuales se hace referenciacomo herramientas de diseo. Captulo 3, Anlisis de carga y esfuerzo. Se han reescrito varias secciones para mejorar laclaridad. Se aborda especficamente la flexin en dos planos y se proporciona un problemade ejemplo. Captulo 4, Deflexin y rigidez. Se han reescrito varias secciones para mejorar la claridad. Seincluye un nuevo problema de ejemplo para la deflexin de ejes escalonados. Se introduceuna nueva seccin sobre la estabilidad elstica de elementos estructurales en compresin.Parte 2: Prevencin de fallasEsta seccin cubre las fallas por cargas estticas y dinmicas. Los captulos siguientes hanrecibido una limpieza y clarificacin extensa, enfocada en los estudiantes de diseo. Captulo 5, Fallas resultantes de carga esttica. Adems de la extensa limpieza realizadapara mejorar la claridad, se proporciona un resumen de las ecuaciones de diseo ms im-portantesal final del captulo. Captulo 6, Fallas resultantes por carga variable. Se depur el material confuso sobre la ob-tenciny el uso del diagrama S-N. Se condensan los mltiples mtodos para obtener la sen-sibilidada la muesca. Se rescribi la seccin sobre combinacin de cargas para obtener una 17. Prefacio xixmayor claridad. Se proporciona un resumen del captulo con una visin general del procesode anlisis y de las ecuaciones de diseo ms importantes usadas en el anlisis de la fatiga.Parte 3: Diseo de elementos mecnicosEn la parte 3 se cubre el diseo de componentes de mquina especficos. Todos los captuloshan recibido una limpieza general. El captulo sobre ejes se ha trasladado al inicio de la sec-cin.A continuacin se describe la disposicin de los captulos, as como los cambios mssignificativos: Captulo 7, Ejes y flechas. Este captulo se ha expandido de manera significativa y se hareescrito para cubrir por completo el diseo de ejes. Los profesores que anteriormente nocubran de manera especfica el captulo sobre ejes se ven estimulados a usar este captuloinmediatamente despus de estudiar la falla por fatiga. El diseo de un eje constituye unaprogresin natural desde la seccin de prevencin de fallas hasta su aplicacin en com-ponentes.Este captulo es una parte esencial del nuevo caso de estudio de transmisin.El material sobre tornillos prisioneros, cuas, pasadores y anillos de retencin, que antesse ubicaba en el captulo sobre uniones empernadas, se ha trasladado a este captulo. Elmaterial sobre lmites y ajustes, que antes se encontraba en el captulo de esttica, se hareubicado en este captulo. Captulo 8, Tornillos, sujetadores y diseo de uniones no permanentes. La seccin sobretornillos prisioneros, cuas y pasadores, se ha trasladado de este captulo al captulo 7. Elmaterial sobre uniones empernadas y remachadas a cortante ha regresado a este captulo. Captulo 9, Soldadura, adhesin y diseo de uniones permanentes. La seccin sobre unio-nesempernadas y remachadas cargadas en cortante se ha trasladado al captulo 8. Captulo 10, Resortes mecnicos. Captulo 11, Cojinetes de contacto rodante. Captulo 12, Cojinetes de contacto deslizante y lubricacin. Captulo 13, Engranes: descripcin general. Se incluyen nuevos problemas de ejemplopara abordar el diseo de trenes de engranes compuestos para lograr razones de engraneespecficas. Se clarifica el anlisis de la relacin entre el par de torsin, la velocidad y lapotencia. Captulo 14, Engranes rectos y helicoidales. Se ha revisado la norma actual AGMA (ANSI/AGMA 2001-D04) para asegurar la actualidad de la informacin en los captulos sobre en-granes.Todas las referencias de este captulo estn renovadas para reflejar la norma actual. Captulo 15, Engranes cnicos y de tornillo sinfn. Captulo 16, Embragues, frenos, coples y volantes de inercia. Captulo 17, Elementos mecnicos flexibles. Captulo 18, Estudio de caso de transmisin de potencia. Este nuevo captulo proporcionaun estudio de caso completo de una transmisin de potencia de doble reduccin. El enfoqueest en proporcionar un ejemplo para los estudiantes de diseo del proceso de integracinde los temas incluidos en mltiples captulos. Los profesores se ven motivados a incluir unade las variaciones de este caso de estudio como un proyecto de diseo en el curso. La re-troalimentacindel estudiante muestra de manera consistente que este tipo de proyecto esuno de los aspectos ms valiosos de un primer curso en diseo de mquinas. Este captulopuede utilizarse en forma de ayuda para los estudiantes que trabajan en un diseo similar.Parte 4: Herramientas de anlisisEn la parte 4 se incluye un nuevo captulo sobre mtodos de elemento finito, y una nuevaubicacin para el captulo sobre consideraciones estadsticas. Los profesores pueden hacerreferencia a estos captulos cuando as lo requieran. 18. xx Prefacio Captulo 19, Anlisis del elemento finito. La intencin de este captulo es proporcionar unaintroduccin al mtodo del elemento finito, y particularmente a su aplicacin al proceso dediseo de mquinas. Captulo 20, Consideraciones estadsticas. Este captulo se reubic y organiz como unaherramienta para los usuarios que deseen incorporar conceptos estadsticos en el proce-sode diseo de mquinas. Este captulo deber revisarse cuando se estudien las secciones5-13, 6-17 o el captulo 11.Materiales de apoyoEsta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseanza-aprendizaje,as como la evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a profesores queadoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y conocer la poltica deentrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill. 19. ReconocimientosLos autores desean reconocer a los mltiples revisores cuya retroalimentacin ha contribuidoal xito de esta nueva edicin de Diseo en Ingeniera Mecnica de Shigley:RevisoresOm P. Agrawal, Southern Illinois UniversityStanton C. Apple, Arkansas Tech UniversityAra Arabyan, University of ArizonaNagaraj Arakere, University of FloridaEric Austin, Clemson UniversityHaim Baruh, Rutgers UniversityAbdel Bayoumi, University of South CarolinaHenry R. Busby, The Ohio State UniversityLarry W. Carpenter, Bradley UniversityTsuchin Chu, Southern Illinois UniversityMasood Ebrahimi, Virginia State UniversityRaghu Echempati, Kettering UniversityKambiz Farhang, Southern Illinois UniversityTony Farquhar, University of Maryland-Baltimore CountyForrest Flocker, Tri-State University, Angola, IndianaJ. Earl Foster, University of Illinois-ChicagoPaul E. Funk, University of EvansvilleMax Gassman, Iowa State UniversityJenn-Terng Gau, Northern Illinois UniversitySlade Gellin, Buffalo State UniversityJon S. Gerhardt, University of AkronJ. Darrell Gibson, Rose-Hulman Institute of TechnologyJames Glancey, University of DelawareVladimir Glozman, California State Polytechnic University-PomonaItzhak Green, Georgia Institute of TechnologyThomas R. Grimm, Michigan Tech UniversityKarl H. Grote, California State University, Long BeachA.H. Hagedoorn, University of Central FloridaMohamed Samir Hefzy, University of ToledoMichael Histand, Colorado State UniversityDennis W. Hong, Virginia TechVinod K. Jain, University of DaytonDuane Jardine, University of New OrleansRichard F. Johnson, Montana College of Mineral Science & TechnologyE. William Jones, Mississippi State UniversityZella L. Kahn-Jetter, Manhattan CollegeFrank Kelso, University of MinnesotaMichael R. Kendall, St. Martins UniversityVictor Kosmopoulos, The College of New JerseyJohn D. Landes, University of TennesseeDavid Lascurain, Pensacola Christian Collegexxi 20. xxii ReconocimientosMichael Latcha, Oakland UniversityJohn Lee, McGill UniversityChi-Wook Lee, University of the Pacifi cSteven Y. Liang, Georgia Institute of TechnologyLiwei Lin, University of California at BerkeleyJohn Leland, University of Nevada RenoKemper Lewis. SUNY BuffaloKerr-Jia Lu. George Washington UniversityStan Lukowski, University of Wisconsin-PlattevilleMichael Magill, George Fox UniversityAjay Mahajan, Southern Illinois UniversityEnayat Mahajerin, Saginaw Valley State UniversityRonald Mann, University of South FloridaNoah Manring, University of MissouriDan Marghitu, Auburn UniversityRoy McGrann, Binghamton UniversityDavid McStravick, Rice UniversityMorteza M. Mehrabadi, Tulane UniversityPeter Mente, North Carolina State UniversityClint Morrow, Florida Institute of TechnologyWalied Moussa, University of AlbertaJoe Musto, Milwaukee School of EngineeringByron L. Newberry, Oklahoma Christian UniversityEfstratios Nikolaidis, University of ToledoEdwin M. Odom, University of IdahoMarcia K. OMalley, Rice UniversityRobert Paasch, Oregon State UniversityStephen J. Piazza, Penn State UniversityHeidi-Lynn Ploeg, University of WisconsinRamamurthy Prabhakaran, Old Dominion UniversityWilliam Pratt. Southern Utah UniversityGovindappa Puttaiah, West Virginia University Institute of TechnologyHamid Rad, Washington State University-VancouverM. K. Ramasubramanian, North Carolina State UniversityMichael Raulli, Villanova UniversityHassan Rejali, California State University, PomonaMichael Rider, Ohio Northern UniversityJohn Ridgely, California Polytechnic State University, San Luis ObispoDon Riley, Walla Walla CollegeJames R. Rinderle, University of Massachusetts-AmherstGreg Rohrauer, University of WindsorAli Sadegh, The City College of New YorkAkhtar Safder, Bluefi eld State CollegeIgor Sevostianov, New Mexico State UniversityPaul S. Sherman, Arkansas State UniversityAndres Soom, SUNY BuffaloJ.K. Spelt, University of TorontoJohn P. H. Steele, Colorado School of MinesJohn Steffen, Valparaiso UniversityB.J. Stephens, University of Alabama-BirminghamMichael Strange, San Francisco State UniversityRobert Sturges, Virginia Polytechnic InstituteJoshua D. Summers, Clemson UniversityGreg Thompson, West Virginia University 21. Reconocimientos xxiiiHoracio Vasquez, The University of Texas-Pan AmericanHarold Walling, New Mexico Institute of Mining & TechnologyM A Wahab, Louisiana State UniversityWayne Whaley, Oklahoma Christian UniversityX.J. Xin, Kansas State UniversityMaria Yang, University of Southern CaliforniaSteve Yurgartis, Clarkson UniversityWayne Zemke, California State University-PomonaJiaxin Zhao, Indiana Univeristy-Purdue University Fort WayneMohammed Zikry, North Carolina State UniversityAsimismo, deseamos expresar nuestro agradecimiento a todos aquellos que con sus valiososcomentarios contribuyeron a enriquecer la presente edicin en espaol:Cuitlahuac Osornio Correa, Universidad Iberoamericana, campus Santa Fe,Ciudad de MxicoOscar Cervantes, Universidad Panamericana, Ciudad de MxicoArturo Aguirre, Universidad Popular Autnoma del Estado de PueblaRosendo Reyes Rosales, Universidad La Salle, Ciudad de Mxico 22. Lista de smbolossta es una lista de smbolos comunes usados en el diseo de mquinas y en este libro. Eluso especializado es un tema que a menudo obliga a que se utilicen subndices y superndi-ces,as como tambin sufijos y prefijos. Para que la lista sea suficientemente breve y til, semuestran los principales smbolos. Vea la tabla 14-1, pp. 715-716 para los smbolos de losengranes rectos y helicoidales, y la tabla 15-1 pp. 769-770 para los smbolos de los engranescnicos.A rea, coeficienteA Variable de reaa Distancia, constante de regresina Estimacin de la constante de regresina Variable de distanciaB CoeficienteBhn Dureza BrinellB Variableb Distancia, parmetro de forma de Weibull, nmero de intervalo, constante dexxvregresin, anchob Estimacin de la constante de regresinb Variable de distanciaC Capacidad de carga bsica, constante de junta atornillada, distancia entre ejes,coeficiente de variacin, condicin de extremo de columna, factor de correc-cin,capacidad del calor especfico, ndice de resortec Distancia, amortiguamiento viscoso, coeficiente de velocidadFDA Funcin de distribucin acumuladaCDV Coeficiente de variacinc Variable de distanciaD Dimetro de la hliced Dimetro, distanciaE Mdulo de elasticidad, energa, errore Distancia, excentricidad, eficiencia, base logartmica neperianaF Fuerza, dimensin fundamental de la fuerzaf Coeficiente de friccin, frecuencia, funcincdm Cifra de mritoG Mdulo de elasticidad en torsing Aceleracin debida a la gravedad, funcinH Calor, potenciaHB Dureza BrinellHRC Dureza Rockwell escala Ch Distancia, espesor de pelculaCR Coeficiente global combinado de transferencia de calor por conveccin yradiacinI Integral, impulso lineal, momento de inercia de la masa, segundo momento delrea 23. xxvi Lista de smbolosi ndicei Vector unitario en la direccin xJ Equivalente mecnico del calor, segundo momento polar del rea, factorgeomtricoj Vector unitario en la direccin yK Factor de servicio, factor de concentracin del esfuerzo, factor de aumento delesfuerzo, coeficiente de par de torsink Factor de modificacin del lmite de fatiga de Marin, relacin de resortek Variable k, vector unitario en la direccin zL Longitud, vida, dimensin fundamental de la longitudLN Distribucin log-normall LongitudM Dimensin fundamental de la masa, momentoM Vector del momento, variacin del momentom Masa, pendiente, exponente de endurecimiento por deformacinN Fuerza normal, nmero, velocidad rotacionalN Distribucin normaln Factor de carga, velocidad rotacional, factor de seguridadnd Factor de diseoP Fuerza, presinFDP Funcin de densidad de la probabilidadp Paso, presin, probabilidadQ Primer momento del rea, fuerza imaginaria, volumenq Carga distribuida, sensibilidad a la muescaR Radio, fuerza de reaccin, confiabilidad, dureza Rockwell, relacin de esfuerzoR Vector fuerza de reaccinr Coeficiente de correlacin, radior Vector distanciaS Nmero de Sommerfeid, resistenciaS Variable Ss Distancia, desviacin estndar de la muestra, esfuerzoT Temperatura, tolerancia, par de torsin, dimensin fundamental del tiempoT Vector del par de torsin, variacin del par de torsint Distancia, estadstico t de Student, tiempo, toleranciaU Energa de deformacinU Distribucin uniformeu Energa de deformacin por unidad de volumenV Velocidad lineal, fuerza cortantev Velocidad linealW Factor de trabajo en fro, carga, pesoW Distribucin Weibullw Distancia, separacin, intensidad de cargaw Vector distanciaX Coordenada, nmero redondeadox Coordenada, valor real de un nmero, parmetro Weibullx variacin de xY Coordenaday Coordenada, deflexiny Variable yZ Coordenada, mdulo de seccin, viscosidadz Desviacin estndar de la distribucin normal unitariaz Variable z 24. Lista de smbolos xxvii Coeficiente, coeficiente de dilatacin trmica lineal, condicin de extremo pararesortes, ngulo de la rosca ngulo de cojinete, coeficiente Cambio, deflexin Desviacin, alargamiento Relacin de excentricidad, deformacin unitaria en ingeniera (normal) Distribucin normal con una media de 0 y una desviacin estndar de s Deformacin real o logartmica Funcin gamma ngulo de paso, deformacin por cortante, peso especfico Relacin de esbeltez para resortes Unidad log-normal con una media de 1 y una desviacin estndar igual alCDV Viscosidad absoluta, media de la poblacin Relacin de Poisson Velocidad angular, frecuencia circular ngulo, longitud de onda Integral de la pendiente Radio de curvatura Esfuerzo normal Esfuerzo de von MisesS Variable del esfuerzo normal Desviacin estndar Esfuerzo cortante Variable del esfuerzo cortante ngulo, parmetro caracterstico de Weibull Costo por peso unitario$ Costo 25. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 1Diseo eningenieramecnicade Shigley 26. PARTE1Fundamentos2 PARTE UNO Fundamentos 27. 1Introduccin al diseoCAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 33en la ingeniera mecnicaPanorama del captulo1-1 El diseo 41-2 El diseo en la ingeniera mecnica 51-3 Fases e interacciones del proceso de diseo 51-4 Herramientas y recursos de diseo 81-5 Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseo 101-6 Normas y cdigos 121-7 Economa 121-8 Seguridad y responsabilidad legal del producto 151-9 Esfuerzo y resistencia 151-10 Incertidumbre 161-11 Factor de diseo y factor de seguridad 171-12 Confiabilidad 181-13 Dimensiones y tolerancias 191-14 Unidades 211-15 Clculos y cifras significativas 221-16 Especificaciones del estudio del caso transmisin de potencia 23 28. 4 PARTE UNO FundamentosEl diseo mecnico es una tarea compleja que requiere muchas habilidades. Es necesario sub-dividirgrandes relaciones en una serie de tareas simples. La complejidad del tema requiereuna secuencia en la que las ideas se presentan y se revisan.Primero se aborda la naturaleza del diseo en general, luego el diseo en la ingenieramecnica en particular. El diseo es un proceso iterativo con muchas fases interactivas. Exis-tenmuchos recursos para apoyar al diseador, entre los que se incluyen muchas fuentes deinformacin y una gran abundancia de herramientas de diseo por computadora. El ingenierode diseo no slo necesita desarrollar competencia en su campo, sino que tambin debe cul-tivarun fuerte sentido de responsabilidad y tica de trabajo profesional.Hay funciones que deben realizarse mediante cdigos y normas, por la siempre presenteeconoma, por seguridad y por consideraciones de responsabilidad legal del producto. Lasupervivencia de un componente mecnico est frecuentemente relacionada con el esfuerzo yla resistencia. Los aspectos de incertidumbre siempre han estado presentes en el diseo en laingeniera y se abordan de manera tpica mediante el factor de diseo y el factor de seguridad,ya sea en la forma determinista (absoluta) o en un sentido estadstico. El enfoque estadsticose refiere a la confiabilidad del diseo y necesita buenos datos estadsticos.En el diseo mecnico existen otras consideraciones que incluyen las dimensiones y lastolerancias, unidades y clculos.Este libro consta de cuatro partes. La parte 1, Fundamentos, comienza con la explicacinde algunas de las diferencias entre el diseo y el anlisis, y presenta diversas nociones y enfo-quesfundamentales del diseo. Contina con tres captulos donde se repasan las propiedadesde los materiales, el anlisis de esfuerzos y el anlisis de la rigidez y de la deflexin, querepresentan los principios clave necesarios para el resto del libro.La parte 2, Prevencin de fallas, consta de dos captulos acerca de la prevencin de fallasen partes mecnicas. Por qu fallan las mquinas y cmo pueden disearse para prevenir lafalla son preguntas difciles y por lo tanto se requieren dos captulos para responderlas; unosobre la prevencin de la falla debida a cargas estticas, y el otro sobre la prevencin de lafalla por fatiga provocada por cargas cclicas que varan con el tiempo.En la parte 3, Diseo de elementos mecnicos, el material de las partes 1 y 2 se aplica alanlisis, seleccin y diseo de elementos mecnicos especficos, como ejes, sujetadores, par-tessoldadas, resortes, cojinetes de contacto de bolas, cojinetes de pelcula, engranes, bandas,cadenas y cables.En la parte 4, Herramientas de anlisis, se proporcionan introducciones a dos impor-tantesmtodos que se utilizan en el diseo mecnico: anlisis del elemento finito y anlisisestadstico. ste es material de estudio opcional, pero algunas secciones y ejemplos de laspartes 1, 2 y 3 demuestran el uso de estas herramientas.Hay dos apndices al final del libro. El apndice A contiene muchas tablas tiles referen-ciadasa lo largo del texto. El apndice B presenta las respuestas a algunos de los problemasque se encuentran al final de los captulos.1-1 El diseoDisear es formular un plan para satisfacer una necesidad especfica o resolver un problema.Si el plan resulta en la creacin de algo fsicamente real, entonces el producto debe ser funcio-nal,seguro, confiable, competitivo, til, que pueda fabricarse y comercializarse.El diseo es un proceso innovador y altamente iterativo. Tambin es un proceso de tomade decisiones. Algunas veces stas deben tomarse con muy poca informacin, en otras conapenas la cantidad adecuada y en ocasiones con un exceso de informacin parcialmente con-tradictoria.Algunas veces las decisiones se toman de manera tentativa, por lo cual es conve-nientereservarse el derecho de hacer ajustes a medida que se obtengan ms datos. Lo impor-tantees que el diseador en ingeniera debe sentirse personalmente cmodo cuando ejerce lafuncin de toma de decisiones y de resolucin de problemas. 29. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 5El diseo es una actividad de intensa comunicacin en la cual se usan tanto palabrascomo imgenes y se emplean las formas escritas y orales. Los ingenieros deben comunicarseen forma eficaz y trabajar con gente de muchas disciplinas. stas son habilidades importantesy el xito de un ingeniero depende de ellas.Las fuentes personales de creatividad de un diseador, la habilidad para comunicarse yla destreza para resolver problemas estn entrelazadas con el conocimiento de la tecnologay sus principios fundamentales. Las herramientas de la ingeniera (como las matemticas, laestadstica, la computacin, las grficas y el lenguaje) se combinan para producir un plan, quecuando se lleva a cabo crea un producto funcional, seguro, confiable, competitivo, til, que sepuede fabricar y comercializar, sin importar quin lo construya o lo use.1-2 El diseo en la ingeniera mecnicaLos ingenieros mecnicos estn relacionados con la produccin y el procesamiento de energay con el suministro de los medios de produccin, las herramientas de transporte y las tcnicasde automatizacin. Las bases de su capacidad y conocimiento son extensas. Entre las basesdisciplinarias se encuentran la mecnica de slidos, de fluidos, la transferencia de masa ymomento, los procesos de manufactura y la teora elctrica y de la informacin. El diseo enla ingeniera mecnica involucra todas las reas que componen esta disciplina.Los problemas reales se resisten a la especializacin. Un simple mun y cojinete involu-cranflujo de fluidos, transferencia de calor, friccin, transporte de energa, seleccin de ma-teriales,tratamientos termomecnicos, descripciones estadsticas, etc. La construccin deberespetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefaccin, ventilacin y de acondicio-namientodel aire son lo suficientemente especializadas que algunos hablan del diseo dela calefaccin, ventilacin y del acondicionamiento del aire como si estuvieran separados yfueran distintos del diseo en la ingeniera mecnica. En forma similar, algunas veces el dise-ode motores de combustin interna, de turbo-maquinaria y de motores de reaccin se con-sideranentidades discretas. La serie de adjetivos que siguen a la palabra diseo slo es unaayuda para describir el producto. De manera similar, hay frases como diseo de mquinas,diseo de elementos de mquinas, diseo de componentes de mquinas, diseo de sistemasy diseo de potencia hidrulica. Todas ellas son ejemplos un poco ms enfocados del diseoen la ingeniera mecnica. Se basan en las mismas fuentes de conocimiento, se organizan enforma similar y requieren habilidades semejantes.1-3 Fases e interacciones del proceso de diseoQu es el proceso de diseo? Cmo comienza? El ingeniero simplemente se sienta en lasilla de su escritorio con una hoja de papel en blanco y anota algunas ideas? Qu sucededespus? Qu factores influyen o controlan las decisiones que deben tomarse? Por ltimo,cmo termina el proceso de diseo?El proceso completo, de principio a fin, que a menudo se bosqueja como se muestra enla figura 1-1, comienza con la identificacin de una necesidad y la decisin de hacer algo alrespecto. Despus de muchas iteraciones, termina con la presentacin de los planes para sa-tisfacerla necesidad. De acuerdo con la naturaleza de la tarea de diseo, algunas fases de stepueden repetirse durante la vida del producto, desde la concepcin hasta la terminacin. Enlas siguientes secciones se examinarn estos pasos del proceso de diseo con ms detalle.Por lo general, el proceso de diseo comienza con la identificacin de una necesidad.Con frecuencia, el reconocimiento y la expresin de sta constituyen un acto muy creativo,porque la necesidad quiz slo sea una vaga inconformidad, un sentimiento de inquietudo la deteccin de que algo no est bien. A menudo la necesidad no es del todo evidente; elreconocimiento se acciona por una circunstancia adversa particular o por un conjunto de cir- 30. 6 PARTE UNO FundamentosReconocimientode la necesidadDefinicin del problemaSntesisAnlisis y optimizacinEvaluacinPresentacinIteracincunstancias aleatorias que se originan casi de manera simultnea. Por ejemplo, la necesidadde hacer algo acerca de una mquina de empaque de alimentos se manifiesta por el nivel deruido, la variacin en el peso del paquete y por alteraciones ligeras pero perceptibles en lacalidad del paquete o envoltura.Hay una diferencia notable entre el enunciado de la necesidad y la identificacin del pro-blema.La definicin del problema es ms especfica y debe incluir todas las especificacionesdel objeto que va a disearse. Las especificaciones son las cantidades de entrada y salida, lascaractersticas y dimensiones del espacio que el objeto debe ocupar y todas las limitacionessobre estas cantidades. Puede considerarse al objeto que va a disearse como algo dentro deuna caja negra. En este caso deben especificarse las entradas y salidas de la caja, junto consus caractersticas y limitaciones. Las especificaciones definen el costo, la cantidad que se vaa manufacturar, la vida esperada, el intervalo, la temperatura de operacin y la confiabilidad.Los puntos obvios en las especificaciones son las velocidades, avances, limitaciones de latemperatura, el intervalo mximo, las variaciones esperadas en las variables, las limitacionesdimensionales y de peso, etctera.Hay muchas especificaciones implicadas que resultan del entorno particular del dise-adoro de la naturaleza del problema en s. Los procesos de manufactura disponibles, juntocon las instalaciones de una cierta planta, constituyen restricciones a la libertad del diseadory de aqu que sean parte de las especificaciones implicadas. Quiz una planta pequea, porejemplo, no posea maquinaria de trabajo en fro. Debido a que conoce esta circunstancia, eldiseador selecciona otros mtodos de procesamiento de metal que se puedan realizar en laplanta. Las habilidades de trabajo disponibles y la situacin competitiva tambin constituyenrestricciones implcitas. Cualquier cosa que limite la libertad de eleccin del diseador signi-ficauna restriccin. Por ejemplo, muchos materiales y tamaos se incluyen en los catlogosdel proveedor, pero no todos pueden conseguirse con facilidad y suelen sufrir de escasez.Adems, la economa del inventario requiere que un fabricante tenga en existencia un nmeromnimo de materiales y tamaos. En la seccin 1-16 se da un ejemplo de una especificacinrelativa a un caso de estudio de una transmisin de potencia que se presenta a lo largo de todoel texto.Algunas veces, a la sntesis de un esquema que conecta elementos posibles del sistemase le llama invencin del concepto o diseo del concepto. ste es el primer y ms importantepaso en la tarea de la sntesis. Varios esquemas deben proponerse, investigarse y cuantificarseFigura 1-1Fases del proceso de diseoque reconocen mltiplesretroalimentacionese iteraciones. 31. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 7en trminos de medidas establecidas.1 A medida que el desarrollo del esquema progresa, sedeben realizar anlisis para evaluar si el desempeo del sistema es cuando menos satisfac-torio,y si lo es, qu tan bien se desempear. Los esquemas del sistema que no sobrevivenal anlisis se revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con potencial se optimizanpara determinar el mejor desempeo del esquema. Los esquemas en competencia se compa-rande manera que se pueda elegir el camino que conduzca al producto ms competitivo. Enla figura 1-1 se muestra que la sntesis, el anlisis y la optimizacin estn relacionados enforma ntima e iterativa.Puede observarse, y debe destacarse, que el diseo es un proceso iterativo en el cual seprocede a travs de varios pasos, se evalan los resultados y luego se regresa a una fase inicialdel procedimiento. De esta manera es posible sintetizar varios componentes de un sistema,analizar y optimizarlos y regresar a la sntesis para ver qu efectos tiene sobre las partesrestantes del sistema. Por ejemplo, el diseo de un sistema para transmitir potencia requiereque se preste atencin al diseo y la seleccin de los elementos ms pequeos que lo com-ponen(por ejemplo, engranes, cojinetes, eje). Sin embargo, como sucede con frecuencia enel diseo, estos componentes no son independientes. Con el propsito de disear el eje para elesfuerzo y la deflexin, es necesario conocer las fuerzas aplicadas. Si stas se transmiten atravs de engranes, es necesario conocer las especificaciones de stos para determinar lasfuerzas que se transmitirn hacia el eje. Pero los engranes en inventario se encuentran en elmercado con ciertos tamaos de dimetro interior, lo que requiere un conocimiento de losdimetros necesarios para introducir el eje. Resulta claro que debern hacerse estimacionesgruesas para poder avanzar en el proceso, refinando e iterando hasta que se obtenga un diseofinal que sea satisfactorio para cada componente individual as como para las especificacionesde diseo generales. A lo largo del texto se elaborar este proceso para el caso de estudio deun diseo de transmisin de potencia.Tanto el anlisis como la optimizacin requieren que se construyan o inventen modelosabstractos del sistema que admitir alguna forma de anlisis matemtico. A estos modelos seles llama modelos matemticos. Cuando se les crea se espera que sea posible encontrar unoque simule muy bien al sistema fsico real. Como se indica en la figura 1-1, la evaluacin esuna fase significativa del proceso de diseo total. La evaluacin representa la prueba final deun diseo exitoso y por lo general implica la prueba del prototipo en el laboratorio. Aqu sedesea descubrir si el diseo en verdad satisface la necesidad o las necesidades. Es confiable?Competir exitosamente con productos similares? Es econmica su manufactura y uso? Semantiene y se ajusta con facilidad? Se puede obtener una ganancia por su venta o uso? Qutan probable es que el producto propicie demandas legales? Se obtiene un seguro con senci-llezy a bajo costo? Quiz sea necesario que se reconozca que se requiere reemplazar parteso sistemas defectuosos?La comunicacin de los resultados a otros es el paso final y vital de presentacin delproceso de diseo. Sin duda, muchos grandes diseos, invenciones y trabajos creativos sehan perdido para la posteridad slo porque sus creadores no fueron capaces o no estuvierondispuestos a explicar sus logros a otros. La presentacin es un trabajo de venta. El ingeniero,cuando presenta una nueva solucin al personal administrativo, gerencial o de supervisin,est tratando de vender o de probarles que la solucin que l propone es la mejor. A menosque lo anterior se pueda hacer de manera exitosa, el tiempo y el esfuerzo empleado en obtenerla solucin en gran parte se habrn desperdiciado. Cuando los diseadores venden una ideanueva, tambin se venden a s mismos. Si suelen tener xito en la venta de ideas, diseos ysoluciones nuevas a la gerencia, comienzan a recibir aumentos salariales y promociones; dehecho, as es como cualquiera tiene xito en su profesin.1 En Stuart Pugh, Total DesignIntegrated Methods for Successful Product Engineering, Addison Wesley, 1991,se presenta un excelente desarrollo de este tpico. Tambin se proporciona una descripcin del mtodo Pugh en elcaptulo 8 de David G. Ullman, The Mechanical Design Process, 3a. ed., McGraw-Hill, 2003. 32. 8 PARTE UNO FundamentosConsideraciones de diseoAlgunas veces la resistencia que requiere un elemento de un sistema significa un factor im-portantepara determinar su geometra y dimensiones. En esa situacin se dice que la resisten-ciaes una consideracin de diseo importante. Cuando se emplea la expresin consideracinde diseo se involucra de manera directa alguna caracterstica que influye en el diseo delelemento, o tal vez en todo el sistema. A menudo se deben considerar muchas de esas caracte-rsticasen una situacin de diseo dada. Entre las ms importantes se pueden mencionar (nonecesariamente en orden de importancia):1 Funcionalidad 14 Ruido2 Resistencia/esfuerzo 15 Estilo3 Distorsin/deflexin/rigidez 16 Forma4 Desgaste 17 Tamao5 Corrosin 18 Control6 Seguridad 19 Propiedades trmicas7 Confiabilidad 20 Superficie8 Manufacturabilidad 21 Lubricacin9 Utilidad 22 Comercializacin10 Costo 23 Mantenimiento11 Friccin 24 Volumen12 Peso 25 Responsabilidad legal13 Vida 26 Capacidad de reciclado/ recuperacin de recursosAlgunas de estas propiedades se relacionan de manera directa con las dimensiones, el mate-rial,el procesamiento y la unin de los elementos del sistema. Algunas caractersticas puedenestar interrelacionadas, lo que afecta la configuracin del sistema total.1-4 Herramientas y recursos de diseoEn la actualidad, el ingeniero tiene una gran variedad de herramientas y recursos disponiblesque le ayudan a solucionar problemas de diseo. Las microcomputadoras poco caras y los pa-quetesrobustos de software proporcionan herramientas de gran capacidad para disear, ana-lizary simular componentes mecnicos. Adems de estas herramientas, el ingeniero siemprenecesita informacin tcnica, ya sea en forma de desempeo bsico en ciencias/ingeniera olas caractersticas de componentes especiales recin lanzados. En este caso, los recursos pue-denir desde libros de ciencia/ingeniera hasta folletos o catlogos de los fabricantes. Tambinla computadora puede jugar un papel importante en la recoleccin de informacin.2Herramientas computacionalesEl software para el diseo asistido por computadora (CAD) permite el desarrollo de diseostridimensionales (3-D) a partir de los cuales pueden producirse vistas ortogrficas convenciona-lesen dos dimensiones con dimensionamiento automtico. Las trayectorias de las herramientaspueden generarse a partir de los modelos 3-D y, en algunos casos, las partes pueden crearsedirectamente desde una base de datos 3-D mediante el uso de un mtodo para la creacin rpidade prototipos y manufactura (estereolitografa): manufactura sin papeles! Otra ventaja de estetipo de base de datos es que permite clculos rpidos y exactos de ciertas propiedades como lamasa, la localizacin del centro de gravedad y los momentos de inercia de masa. Del mismomodo, pueden obtenerse con facilidad otras propiedades como reas y distancias entre pun-tos.Existe una gran cantidad de software de CAD disponible como Aries, AutoCAD, CadKey,I-Deas, Unigraphics, Solid Works y ProEngineer, slo por mencionar algunos.2 En el captulo 4 de George E. Dieter, Engineering Design. A Materials and Processing Approach, 3a. ed., McGraw-Hill, Nueva York, 2000, puede encontrarse un excelente y comprensible anlisis del proceso de recoleccin deinformacin. 33. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 9El trmino ingeniera asistida por computadora (CAE) se aplica generalmente a todaslas aplicaciones de ingeniera relacionadas con la computadora. Con esta definicin, el CADpuede considerarse como un subconjunto del CAE. Algunos paquetes de computadora rea-lizananlisis de ingeniera especficos y/o tareas de simulacin que ayudan al diseador,pero no se consideran una herramienta para la creacin del diseo como lo es el CAD. Estesoftware pertenece a dos categoras: basado en ingeniera y no especfico para ingeniera. Al-gunosejemplos de programas basados en ingeniera para aplicaciones de ingeniera mecnicasoftware que tambin podra integrarse dentro de un sistema CAD son los programaspara el anlisis del elemento finito (AEF), para el anlisis del esfuerzo y la deflexin (vea elcaptulo 19), la vibracin y la transferencia de calor (por ejemplo, Algor, ANSYS y MSC/NASTRAN); programas para la dinmica de fluidos computacional (CFD) para el anlisis delflujo de fluidos y la simulacin (por ejemplo, CFD++, FIDAP y Fluent); y programas parala simulacin de fuerzas dinmicas y el movimiento en mecanismos (por ejemplo, ADAMS,DADS y Working Model).Entre los ejemplos de aplicaciones asistidas por computadora no especficas para inge-nierapueden mencionarse los programas para el procesamiento de palabras, las hojas declcu lo (por ejemplo, Excel, Lotus y Quattro-Pro), y solucionadores matemticos (por ejem-plo,Maple, MathCad, MATLAB, Mathematica y TKsolver).Su profesor es la mejor fuente de informacin acerca de los programas que es posibleobtener y puede recomendarle aquellos que son tiles para tareas especficas. Sin embargo,es necesario tener cuidado: los programas de computadora no sustituyen el proceso de pen-samientohumano. En este caso, el conductor es usted; la computadora es el vehculo que loayuda en el camino hacia una solucin. Los nmeros generados por una computadora puedenestar muy lejanos a la realidad si usted ingresa una entrada incorrecta, si malinterpreta laaplicacin o la salida del programa, si ste contiene algn error, etc. Es su responsabilidadasegurar la validez de los resultados, por lo que debe tener cuidado al revisar la aplicacin ylos resultados, realizar pruebas de calibracin introduciendo problemas con soluciones cono-cidas,y monitorear las noticias de la compaa de software y de los grupos de usuarios.Adquisicin de informacin tcnicaEn la actualidad vivimos en la que ha sido llamada la era de la informacin, donde sta segenera a un ritmo sorprendente. Es difcil, pero extremadamente importante, mantenerse alcorriente de los desarrollos recientes y actuales de cualquier campo de estudio y ocupacin.La referencia en la nota a pie de pgina 2 proporciona una excelente descripcin de los recur-sosde informacin disponibles y es una lectura altamente recomendable para el ingeniero dediseo serio. Algunas fuentes de informacin son: Bibliotecas (pblicas, universitarias y privadas). Diccionarios y enciclopedias de inge-niera,libros de texto, monografas, manuales, servicios de ndices y extractos, revistas,traducciones, informes tcnicos, patentes y fuentes/folletos/catlogos de negocios. Fuentes gubernamentales. Departamentos de defensa, comercio, energa y transporte;NASA; Oficina editorial del gobierno; Oficina de patentes y marcas registradas; Serviciode informacin tcnica nacional; Instituto nacional para normas y tecnologa. Sociedades profesionales. Sociedad norteamericana de ingenieros mecnicos, Sociedad deingenieros en manufactura, Sociedad de ingenieros automotrices, Sociedad norteamerica-nade pruebas y materiales, y la Sociedad norteamericana de soldadura. Vendedores comerciales. Catlogos, literatura tcnica, datos de prueba, muestras e infor-macinde costos. Internet. La puerta de entrada a la red de computadoras con sitios asociados con la mayorade las categoras mencionadas anteriormente.33 Recursos tiles en la red, para mencionar algunos, son www.globalspec.com, www.engnetglobal.com, www.efun-da.com, www.thomasnet.com y www.uspto.gov 34. 10 PARTE UNO FundamentosLa anterior no es una lista completa. Se recomienda al lector explorar las diferentes fuen-tesde informacin de manera regular y mantener registros del conocimiento que obtenga.1-5 Responsabilidades profesionalesdel ingeniero de diseoEn general, el ingeniero de diseo debe satisfacer las necesidades de los usuarios (la administra-cin,clientes, consumidores, etc.) y se espera que lo haga de una manera competente, responsa-ble,tica y profesional. Una gran parte del trabajo en el curso de ingeniera y en la experienciaprctica se enfoca en la competencia, pero, cundo se comienzan a desarrollar la responsabilidady el profesionalismo en ingeniera? Para encarrilarse en el camino hacia el xito, debe comenzarpor establecer estas caractersticas a inicios de su programa educativo. Usted debe cultivar su ti-cade trabajo profesional y aptitudes de proceso antes de graduarse, de manera que cuando inicieformalmente su carrera en ingeniera est preparado para enfrentar los retos.Para algunos alumnos no es obvio, pero las habilidades de comunicacin juegan un papelimportante aqu, por lo cual los estudiantes informados trabajan continuamente en el mejo-ramientode estas destrezas, aun cuando no sea un requerimiento directo de algn curso!El xito en ingeniera (logros, promociones, ascensos, etc.) puede deberse en gran parte a lacompetencia, pero si usted no logra comunicar sus ideas en forma clara y concisa, su calidadtcnica suele verse comprometida.Puede comenzar a desarrollar sus habilidades en comunicacin a travs de la elaboracinde un diario/registro ntido y claro de sus actividades, en el cual debe introducir datos de manerafrecuente. (Muchas compaas exigen que sus ingenieros lleven un diario para asuntos referen-tesa patentes y responsabilidades legales.) Deben usarse diarios distintos para cada proyecto dediseo (o materia). Cuando inicie un proyecto o enfrente un problema, en la etapa de definicin,introduzca datos al diario con bastante frecuencia. Esta tarea puede ser realizada por otras per-sonas,o incluso usted mismo. Podra preguntar despus por qu tom ciertas decisiones. Si setienen buenos registros cronolgicos ser ms fcil explicar dichas decisiones en el futuro.Muchos estudiantes de ingeniera se ven a s mismos despus de graduarse como ingenie-rosque practican el diseo, desarrollo y anlisis de productos y procesos y consideran que lanecesidad de buenas habilidades de comunicacin, ya sean orales o escritas, es secundaria, locual est muy lejos de ser verdad. La mayora de los ingenieros practicantes pasan una buenacantidad de tiempo comunicndose con otros, en la redaccin de propuestas e informes tcni-cos,y dando presentaciones e interactuando con personal de apoyo con estudios de ingenierao sin ellos. Ahora, usted tiene el tiempo para agudizar sus destrezas de comunicacin. Cuandose le asigne una tarea para escribir o hacer una presentacin, ya sea tcnica o no, acptela conentusiasmo y trabaje en el mejoramiento de sus habilidades de comunicacin. Es una buenainversin de tiempo aprender estas destrezas ahora y no en el trabajo.Cuando trabaje en un problema de diseo, es importante que desarrolle un enfoque sist-mico.Los siguientes pasos deben recibir una atencin especial, lo cual le ayudar a organizarsu tcnica de procesamiento de la solucin: Entienda el problema. La definicin del problema es el paso ms significativo en el pro-cesode diseo en ingeniera. Lea, comprenda y afine cuidadosamente el enunciado delproblema. Identifique la informacin conocida. A partir del enunciado perfeccionado del problema,describa en forma concisa qu informacin es conocida y relevante. Identifique la informacin desconocida y formule la estrategia de solucin. Establezcaaquello que debe determinar, y en qu orden, con el propsito de llegar a una solucindel problema. Bosqueje el componente o sistema bajo investigacin, es decir, identifiquelos parmetros conocidos y desconocidos. Construya un diagrama de flujo de los pasosnecesarios para llegar a la solucin final. Los pasos pueden requerir el uso de diagramas de 35. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 11cuerpo libre; propiedades de materiales de las tablas; ecuaciones de los principios bsicos,libros de texto o manuales que relacionan los parmetros conocidos y desconocidos; grfi-castrazadas en forma experimental o numrica; herramientas computacionales especficascomo las que se analizaron en la seccin 1-4; etctera. Establezca todos los supuestos y todas las decisiones. Por lo general, los problemas dediseo reales no tienen soluciones nicas, ideales y cerradas. Las selecciones, como laeleccin de materiales y los tratamientos trmicos, exigen tomar decisiones. Los anlisisrequieren supuestos relacionados con el modelado de los componentes o sistemas reales.Todos los supuestos y todas las decisiones deben identificarse y registrarse. Analice el problema. Usando su estrategia de solucin junto con sus decisiones y supues-tos,ejecute el anlisis del problema. Haga referencia a las fuentes de todas las ecuaciones,tablas, grficas, resultados del software, etc. Verifique la credibilidad de sus resultados.Compruebe el orden de magnitud, la dimensionalidad, las tendencias, seales, etctera. Evale su solucin. Evale cada paso de la solucin, es decir, observe la forma en que loscambios de estrategia, decisiones, supuestos y ejecucin podran modificar los resultados,de manera positiva o negativa. Si es posible, incorpore los cambios positivos en su solucinfinal. Presente su solucin. Aqu es donde sus habilidades de comunicacin son importantes. Eneste punto, usted se est vendiendo a s mismo y sus capacidades tcnicas. Si no puedeexplicar hbilmente lo que ha hecho, una parte o todo su trabajo suele no entenderse eincluso no aceptarse. Conozca a su audiencia.Como se estableci antes, todos los procesos de diseo son interactivos e iterativos. Por lotanto, puede ser necesario repetir algunos o todos los pasos anteriores ms de una vez si seobtienen resultados que no sean satisfactorios.Con el propsito de ser eficaces, todos los profesionales deben mantenerse al corriente ensus campos de conocimiento. El ingeniero de diseo puede satisfacer este objetivo de muchasmaneras: participar como miembro activo de una sociedad profesional como la Sociedad Es-tadounidensede Ingenieros Mecnicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME),la Sociedad de Ingenieros Automotrices (Society of Automotive Engineers, SAE), la Sociedadde Ingenieros en Manufactura (Society of Manufacturing Engineers, SME); asistir a reunio-nes,conferencias y seminarios de sociedades, fabricantes, universidades, etc.; tomar cursos oprogramas de posgrado especficos en universidades; leer en forma regular revistas tcnicas yprofesionales; etc. La educacin de un ingeniero no termina con su graduacin.Las obligaciones profesionales del ingeniero de diseo incluyen la realizacin tica deactividades. A continuacin se reproduce la tica del ingeniero de la Sociedad Nacional de In-genierosProfesionales (National Society of Professional Engineers, NSPE):4Como ingeniero dedico mis conocimientos y destrezas profesionales al avance y mejo-ramientodel bienestar humano.Prometo:brindar el mejor desempeo;participar slo en empresas honestas;vivir y trabajar de acuerdo con las leyes del hombre y los estndares ms altos deconducta profesional;anteponer el servicio a la utilidad, el honor y la reputacin de la profesin al bene-ficiopersonal y el bienestar pblico a todas las dems consideraciones.Con humildad y pidiendo orientacin divina, hago esta promesa.4 Adoptado por la NSPE, en junio de 1954. La tica del ingeniero. Reimpreso con permiso de la NSPE, este cdigoha sido ampliado y revisado. Para conocer la versin actual, de enero de 2006, vea el sitio en la red www.nspe.org/ethics/ehl-code.asp, o el archivo pdf, www.nspe.org/ethics/code-2006-jan.pdf 36. 12 PARTE UNO Fundamentos1-6 Normas y cdigosUna norma es un conjunto de especificaciones para partes, materiales o procesos establecidosa fin de lograr uniformidad, eficiencia y cantidad especificadas. Uno de los propsitos im-portantesde una norma es poner un lmite al nmero de artculos en las especificaciones paraproporcionar un inventario razonable de herramientas, tamaos, formas y variedades.Un cdigo es un conjunto de especificaciones para analizar, disear, manufacturar yconstruir algo. El propsito de un cdigo consiste en lograr un grado especfico de seguridad,eficiencia y desempeo o calidad. Es importante observar que los cdigos de seguridad no im-plicanseguridad absoluta. De hecho, la seguridad absoluta es imposible de obtener. Algunasveces realmente acontece un suceso inesperado. Disear un edificio para que resista un vientode 120 mi/h no significa que el diseador piense que un viento de 140 mi/h es imposible; slosignifica que piensa que es muy improbable.Todas las organizaciones y sociedades que se presentan enseguida han establecido es-pecificacionespara normas y cdigos de diseo o seguridad. El nombre de la organizacinproporciona una gua de la naturaleza de la norma o cdigo. Algunas de las normas y cdigos,as como las direcciones, se pueden obtener en la mayor parte de las bibliotecas tcnicas. Lasorganizaciones de inters para los ingenieros mecnicos son:Aluminum Association (AA)American Gear Manufacturers Association (AGMA)American Institute of Steel Construction (AISC)American Iron and Steel Institute (AISI)American National Standards Institute (ANS)5ASM International6American Society of Mechanical Engineers (ASME)American Society of Testing and Materials (ASTM)American Welding Society (AWS)American Bearing Manufacturers Association (ABMA)7British Standards Institution (BSI)Industrial Fasteners Institute (IFI)Institution of Mechanical Engineers (I. Mech. E.)International Bureau of Weights and Measures (BIPM)International Standards Organization (ISO)National Institute for Standards and Technology (NIST)8Society of Automotive Engineers (SAE)1-7 EconomaLa consideracin del costo tiene una funcin tan importante en el proceso de la decisin dediseo que fcilmente podra emplearse el mismo tiempo para estudiar el factor del costoque para realizar el estudio de todo el tema de diseo. Aqu slo se introducen algunos de losconceptos generales y reglas simples.5 En 1966 la American Standards Association (ASA) cambi su nombre por el de United States of America StandardsInstitute (USAS). Luego, en 1969, nuevamente el nombre se cambi a American National Standards Institute, comose muestra antes; este nombre es el que tiene en la actualidad. Esto significa que quiz de manera ocasional encuentrenormas ANSI designadas como ASA o USAS.6 Formalmente American Society for Metals (ASM). En la actualidad, el acrnimo ASM carece de definicin.7 En 1993 la Anti-Friction Bearing Manufacturers Association (AFBMA) cambi su nombre al de American BearingManufacturers Association (ABMA).8 Anteriormente National Bureau of Standards (NBS). 37. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 13Primero, observe que no se puede decir nada en un sentido absoluto respecto de loscostos. A menudo, los materiales y la mano de obra incrementan su costo de un ao a otro.Pero es de esperar que los costos del procesamiento de materiales presenten una tendencia ala baja debido al empleo de mquinas herramientas automatizadas y robots industriales. Elcosto de fabricar un mismo producto vara de ciudad en ciudad y de una planta a otra, debidoa las diferencias entre los gastos generales, mano de obra, impuestos y fletes y a las ligerasvariaciones en la manufactura.Tamaos estndarLa utilizacin de tamaos estndar o corrientes es el principio fundamental de la reduccindel costo. Un ingeniero que especifica una barra AISI 1020 de acero laminado en caliente deseccin cuadrada de 53 mm de lado, denominada cuadrado laminado en caliente, suma uncosto agregado al producto, ya que una barra estndar cuadrada de 50 o 60 mm, que tieneun tamao preferible, funcionara igualmente bien. La medida de 53 mm se puede obtenerpor medio de pedido especial, o mediante el laminado o maquinado de una barra cuadradade 60 mm, pero estos enfoques agregan costo al producto. Para asegurar que se especifiquentamaos estndar o recomendables, el diseador debe tener acceso a las listas de existenciade los materiales que se emplean.An es necesario un consejo adicional respecto de la seleccin de los tamaos recomen-dables.Aunque la mayor parte de los tamaos suele incluirse en los catlogos, no se disponede todos con facilidad. Algunos tamaos se emplean rara vez, por lo que no se almacenan. Unpedido urgente de los tamaos puede significar ms gastos y retrasos. Tambin debe tener ac-cesoa una lista como la de la tabla A-17, donde se proporcionan los tamaos recomendablesen pulgadas y milmetros.Hay muchas piezas que se pueden comprar, tales como motores, bombas, cojinetes ysujetadores, que son especificadas por los diseadores. En este caso, tambin es necesario ha-cerun esfuerzo especial para especificar partes que se consigan con facilidad. Por lo general,las partes que se hacen y se venden en grandes cantidades cuestan menos que las de tamaospoco comunes. Por ejemplo, el costo de los cojinetes de bolas depende ms de la cantidad deproduccin del fabricante de cojinetes, que del tamao del cojinete.Tolerancias ampliasEntre los efectos de las especificaciones de diseo sobre los costos, tal vez los de las tole-ranciassean los ms significativos. Las tolerancias de diseo influyen de muchas manerasen la factibilidad de fabricacin del producto final; las tolerancias estrictas quiz necesitenpasos adicionales en el procesamiento o incluso provocan que la produccin de una parte seaeconmicamente imprctica. Las tolerancias cubren la variacin dimensional y el intervalode rugosidad superficial, as como la variacin de propiedades mecnicas que generan el tra-tamientotrmico y otras operaciones de procesamiento.Como las partes que tienen tolerancias amplias a menudo se producen por medio de m-quinascon velocidades de produccin altas, los costos sern significativamente menores. Asi-mismo,se rechazarn menos partes en el proceso de inspeccin y a menudo sern ms fcilesde ensamblar. En la figura 1-2 se presenta una grfica de costo contra tolerancia del procesode manufactura, e ilustra el drstico incremento de los costos de manufactura a medida quedisminuye la tolerancia con procesos de maquinado ms finos.Puntos de equilibrioAlgunas veces sucede que, cuando se compara el costo de dos o ms enfoques de diseo, laeleccin entre ellos depende de un conjunto de condiciones como la cantidad de produccin,la velocidad en las lneas de ensamble o alguna otra condicin. As, se llega a un punto quecorresponde a costos iguales, el cual se llama punto de equilibrio. 38. 14 PARTE UNO Fundamentos400380360340320300280260240220200180160140120100806040Material: acero0.030 0.015 0.010 0.005 0.003 0.001 0.0005 0.000250.75 0.50 0.50 0.125 0.063 0.025 0.012 0.00614012010080604020Un punto de equilibrioTornoautomticoTorno manualComo ejemplo, considere una situacin en la cual una cierta parte se manufactura a lavelocidad de 25 partes por hora en un torno automtico, o 10 partes por hora en un torno ma-nual.Suponga tambin que el tiempo de preparacin del torno automtico es de 3 h y el costode la mano de obra para cualquier mquina es de $20 por hora, incluyendo gastos generales.En la figura 1-3 se muestra una grfica del costo, en funcin de la produccin por medio delos dos mtodos. El punto de equilibrio corresponde a 50 partes. Si la produccin que se deseaes mayor que 50 partes, se deber emplear la mquina automtica.Figura 1-2Costo contra tolerancia delproceso de maquinado.(De David G. Ullman. TheMechanical Design Process,3a. ed., McGraw-Hill,Nueva York, 2003.)20Torneado gruesoTorneadosemiter-minadoTorneadoterminadoPulidoRecti-ficadoOperaciones de maquinadoCostos, %Tolerancias nominales (pulgadas)Tolerancia nominal (mm)Figura 1-3Un punto de equilibrio.00 20 40 60 80 100ProduccinCosto, $ 39. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 15Estimaciones de los costosHay muchas formas de obtener las cifras relativas de los costos, de manera que dos o ms di-seosse comparan aproximadamente. En algunos casos se requiere cierto criterio. Por ejem-plo,se puede comparar el valor relativo de dos automviles mediante su costo monetariopor unidad de peso. Otra manera de comparar el costo de un diseo con otro es simplementemediante el conteo del nmero de partes. El diseo que tenga el nmero menor de partes talvez cueste menos. Se utilizan muchos estimadores de costos, segn sea la aplicacin, comorea, volumen, potencia, par de torsin, capacidad, velocidad y diversas relaciones de des-empeo.91-8 Seguridad y responsabilidad legaldel productoEn Estados Unidos prevalece el concepto de la responsabilidad legal estricta, el cual disponeque el fabricante de un artculo es legalmente responsable por cualquier dao o perjuicio queprovoque debido a un defecto. Y no importa si el fabricante saba acerca del defecto o inclusosi no saba. Por ejemplo, suponga que un artculo se fabric, digamos, hace 10 aos y queen ese tiempo el artculo no se hubiera considerado defectuoso con base en el conocimientotecnolgico disponible en ese entonces. Diez aos despus, de acuerdo con el concepto deresponsabilidad legal estricta, el fabricante an conserva su responsabilidad. As, bajo esteconcepto, el demandante slo necesita demostrar que el artculo estaba defectuoso y que eldefecto caus algn dao o perjuicio. No se necesita probar la negligencia del fabricante.Las mejores formas para prevenir la responsabilidad legal son la buena ingeniera delanlisis y el diseo, el control de calidad y los procedimientos exhaustivos de pruebas. Confrecuencia, los gerentes de publicidad incluyen promesas atractivas en las garantas y en ladocumentacin de venta de un producto. Tales enunciados deben ser analizados cuidadosa-mentepor el personal del departamento de ingeniera para eliminar promesas excesivas einsertar advertencias adecuadas e instrucciones para el uso.1-9 Esfuerzo y resistenciaLa supervivencia de muchos productos depende de la forma en que el diseador ajusta elesfuerzo inducido por la carga para que sea menor que la resistencia en un punto de inters.En resumen, debe permitir que la resistencia exceda al esfuerzo por un margen suficiente, demanera que a pesar de las incertidumbres, la falla no sea frecuente.Al enfocar la comparacin esfuerzo-resistencia en un punto crtico (controlada), a menu-dose busca resistencia en la geometra y condicin de uso. Las resistencias son magnitudesde esfuerzos en los cuales ocurre algo de inters, como el lmite de proporcionalidad, lafluencia desplazada 0.2 por ciento, o la fractura. En muchos casos, estos sucesos representanel nivel de esfuerzo en el que ocurre la prdida de la funcin.La resistencia es una propiedad de un material o de un elemento mecnico. La resistenciade un elemento depende de la eleccin, el tratamiento y el procesamiento del material. Con-sidere,por ejemplo, un embarque de resortes. Puede asociarse una resistencia con un resorteespecfico. Cuando este resorte se incorpora a una mquina, se aplican fuerzas externas queprovocan cargas inducidas en el resorte, las magnitudes de las cuales dependen de su geome-tray son independientes del material y su procesamiento. Si el resorte se retira de la mquinasin dao alguno, el esfuerzo debido a las fuerzas externas disminuir a cero, su valor antes del9 Para lograr una revisin general de la estimacin de costos de manufactura, vea el captulo 11 de Karl T. Ulrich ySteven D. Eppinger, Product Design and Development, 3a. ed., McGraw-Hill, Nueva York, 2004. 40. 16 PARTE UNO Fundamentosensamble, pero la resistencia permanece como una de las propiedades del resorte. Recuerde,entonces, que la resistencia es una propiedad inherente de una parte, una propiedad construi-daen la parte debido al empleo de un material y de un proceso particular.Varios procesos de trabajo en metales y tratamiento trmico, como el forjado, el lamina-doy el formado en fro, causan variaciones en la resistencia de punto a punto en toda la parte.Es muy probable que el resorte citado antes tenga una resistencia en el exterior de las espirasdiferente a su resistencia en el interior, puesto que el resorte se ha formado mediante un pro-cesode enrollado en fro y los dos lados quiz no se hayan deformado en la misma medida.Por lo tanto, tambin recuerde que un valor de la resistencia dado para una parte se aplica sloa un punto particular o a un conjunto de puntos en la parte.En este libro se utilizar la letra mayscula S para denotar la resistencia, con los subndi-cesapropiados para denotar la clase de resistencia. As, Ss es una resistencia a cortante, Sy unaresistencia a la fluencia y Su una resistencia ltima.De acuerdo con la prctica aceptada, se emplearn las letras griegas (sigma) y (tau)para designar los esfuerzos normal y cortante, respectivamente. De nuevo, varios subndi-cesindicarn alguna caracterstica especial. Por ejemplo, 1 es un esfuerzo principal, y uncomponente del esfuerzo en la direccin y, y r un componente del esfuerzo en la direccinradial.El esfuerzo es una propiedad de estado en un punto especfico dentro de un cuerpo, lacual es una funcin de la carga, la geometra, la temperatura y el proceso de manufactura. Enun curso elemental de mecnica de materiales, se hace hincapi en el esfuerzo relacionadocon la carga y la geometra con algn anlisis de los esfuerzos trmicos. Sin embargo, losesfuerzos debidos a los tratamientos trmicos, al moldeado, al ensamblaje, etc., tambin sonimportantes y en ocasiones no se toman en cuenta. En el captulo 3 se presenta una exposicindel anlisis de esfuerzos para estados de carga y geometra bsicos.1-10 IncertidumbreEn el diseo de maquinaria abundan las incertidumbres. Entre los ejemplos de incertidumbresconcernientes al esfuerzo y la resistencia estn: La composicin del material y el efecto de las variaciones en las propiedades. Las variaciones de las propiedades de lugar a lugar dentro de una barra de material. El efecto del procesamiento local, o cercano, en las propiedades. El efecto de ensambles cercanos, como soldaduras y ajustes por contraccin, en las condi-cionesdel esfuerzo. El efecto del tratamiento termomecnico en las propiedades. La intensidad y distribucin de las cargas. La validez de los modelos matemticos que se utilizan para representar la realidad. La intensidad de las concentraciones de esfuerzos. La influencia del tiempo sobre la resistencia y la geometra. El efecto de la corrosin. El efecto del desgaste. La incertidumbre respecto de la longitud de cualquier lista de incertidumbres.Los ingenieros deben adecuarse a la incertidumbre, pues sta siempre acompaa al cambio.Entre los aspectos que conciernen a los diseadores se pueden mencionar las propiedadesde los materiales, la variabilidad de carga, la fidelidad de la fabricacin y la validez de losmodelos matemticos.Existen mtodos matemticos para enfrentar las incertidumbres. Las tcnicas bsicas sonlos mtodos determinsticos y estocsticos. El mtodo determinstico establece un factor de 41. CAPTULO 1 Introduccin al diseo en la ingeniera mecnica 17diseo basado en las incertidumbres absolutas de un parmetro de prdida de funcin y unparmetro mximo permisible. En ciertos casos el parmetro puede ser la carga, el esfuerzo,la deflexin, etc. Por lo tanto, el factor de diseo nd se define comond =parmetro de prdida de funcinparmetro mximo permisible(1-1)Si el parmetro es la carga, entonces la carga mxima permisible puede encontrarse conCarga mxima permisible =carga de prdida de funcinnd(1-2)EJEMPLO 1-1 Considere que la carga mxima sobre una estructura se conoce con una incertidumbre de 20por ciento, y la carga que produce falla se conoce dentro de 15 por ciento. Si la carga queproduce falla es nominalmente 2 000 lbf, determine el factor de diseo y la carga permisiblemxima que compensar las incertidumbres absolutas.Solucin Para contar para esta incertidumbre, la carga de prdida de funcin debe incrementarse a1/0.85, mientras que la carga mxima permisible debe disminuir a 1/1.2. As que para com-pensarlas incertidumbres absolutas, el factor de diseo debe serRespuesta nd =1/0.851/1.2= 1.4De la ecuacin (1-2) puede encontrarse que la carga permisible mxima esRespuesta Carga permisible mxima =2 0001.4= 1 400 lbfLos mtodos estocsticos (vea el captulo 20) se basan en la naturaleza estadstica delos parmetros de diseo y se enfocan en la probabilidad de supervivencia de la funcinde diseo (esto es, en la confiabilidad). En las secciones 5-13 y 6-17 se demuestra este pro-cedimiento.1-11 Factor de diseo y factor de seguridadUn enfoque general del problema de la carga permisible contra la carga de prdida de funcines el mtodo del factor de diseo determinstico, al que algunas veces se le llama mtodoclsico de diseo. La ecuacin fundamental es la ecuacin (1-1), donde nd se conoce comofactor de diseo. Deben analizarse todos los modos de prdida de funcin, y el modo queconduzca al factor de diseo ms pequeo ser el modo gobernante. Despus de terminar eldiseo, el factor de diseo real puede cambiar como resultado de cambios como el redondeoa un tamao estndar de una seccin transversal o el uso de componentes recin lanzados conclasificaciones ms altas en lugar de emplear lo que se haba calculado usando el factor dediseo. En este caso, el factor se conoce como factor de seguridad, n, que tiene la mismadefinicin que el factor de diseo, pero por lo general difiere en su valor numrico.Como el esfuerzo puede no variar en forma lineal con la carga (vea la seccin 3-19), eluso de la carga como el parmetro de prdida de funcin puede no ser aceptable. Entonces, es 42. 18 PARTE UNO Fundamentosms comn expresar el factor de diseo en trminos del esfuerzo y una resistencia relevante.As, la ecuacin (1-1) puede reescribirse comond =resistencia de prdida de la funcinesfuerzo permisible=S(o )(1-3)Los trminos esfuerzo y resistencia de la ecuacin (1-3) deben ser del mismo tipo y tener lasmismas unidades. Tambin, el esfuerzo y la resistencia deben aplicarse a la misma ubicacincrtica en la parte.EJEMPLO 1-2 Una varilla con seccin transversal de rea A y cargada en tensin con una carga axial deP = 2 000 lbf soporta un esfuerzo de = P/A. Use una resistencia de material de 24 kpsi yun factor de diseo de 3.0 para determinar el dimetro mnimo de una varilla circular slida.Use la tabla A-17, seleccione un dimetro fraccionario preferido y determine el factor deseguridad de la varilla.Solucin Como A = d2/4 y = S/nd, entonces =Snd=24 0003=PA=2 000d2/4o bien,Respuesta d =4PndS1/2=4(2 000)3(24 000)1/2= 0.564 pulgDe la tabla A-17, el siguiente tamao preferido ms alto es 58= 0.625 pulg. As que, de acuer-docon la misma ecuacin desarrollada anteriormente, el factor de seguridad n esRespuesta n = Sd24P= (24 000)0.625