FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES “TABLAS Y GRAFICAS PARA DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS” M. en I. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez. CUAUTITLÁN IZCALLI 2007 ÍNDICE Pag. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................................1 CAPITULO 1 ESFUERZOS BÁSICOS, TEORÍAS DE FALLA Y FATIGA ……...………………..2 CAPITULO 2 FLECHAS …………………………………………………………………….………………..14 RESORTES ENGRANES CAPÍTULO 3 ……………………………………………………………………………..………………18 CAPÍTULO 4 …………………………………………………………………………………23 CAPITULO 5 TRANSMISIONES FLEXIBLES ……………………………………………………………..31 CAPITULO 6 RODAMIENTOS ………………………………………………………………………………39 FORMULARIO ………………………………………………………………………………..49 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................54 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS INTRODUCCIÓN Para el diseño y selección de elementos de máquinas tales como flechas, engranes, bandas, etc. se utilizan de manera extensiva tablas y gráficas que proporcionan asociaciones como ANSI, ASME, AGMA. NOM, etc. o los fabricantes de aceros, rodamientos, bandas, etc. y que es necesario tener a la mano, ya sea en el salón de clase o en el trabajo diario. De esta manera, se presenta una colección de tablas y gráficas que son básicas en el diseño de algunos elementos de máquinas, mostrándose en el orden en que se cubren los temas de acuerdo al programa actual de la asignatura “Diseño de elementos de máquinas” de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista que se imparte en la Fes-Cuautitlán, además, en esta edición, se proporciona un formulario básico para las materias de Fundamentos de Mecánica de Sólidos y Diseño de Elementos de Máquinas. Cualquier sugerencia y corrección será bienvenida. Atte. Prof. Felipe Díaz del Castillo Rodríguez LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 1 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS CAPÍTULO 1 ESFUERZOS BÁSICOS, TEORÍAS DE FALLA Y FATIGA Tabla 1.1.- Propiedades típicas de los materiales mas comunes (Para fines de diseño real consulte reglamentos y especificaciones pertinentes MATERIAL RESISTENCIA MÁXIMA RESISTENCIA MODULO DE MODULO DE α A LA FLUENCIA ELASTICIDAD E ELASTICIDAD G cm/cm.ºC (x 10-6) kg/cm2 ksi kg/cm2 ksi kg/cm2 kg/cm2 4500 6400 6900 7300 12000 12200 5200 5200 4800 64 91 98 104 170 173 74 74 68 3800 5400 3800 4100 11200 11500 2100 2100 2250 54 77 54 58 159 163 30 30 36 2.1E6 “ “ “ “ “ 1.96E6 1.96E6 2.1E6 0.808E6 “ “ “ “ “ 0.735E6 0.735E6 0.808E6 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 16.0 16.0 11.8 4362 4785 3166 62 68 45 2885 3370 2800 41 48 40 0.741E6 “ “ 0.281E6 “ “ 23.1 23.1 23.1 7030 6330 3860 100 90 54.8 5270 3520 1750 75 50 24.8 1.195E6 1.82E6 1.124 0.450E6 0.68E6 0.421E6 18.3 14.0 20.0 1470 20.9 1.05E6 0.422E6 10.8 ACEROS: NOM-1018 T.F NOM- 1045 T.C NOM-1060 T.C NOM-1075 T.C NOM-4140 T.T NOM-4340 T.T INOX 304 REC. INOX. 316 REC. ESTRUCTURAL ASTM A-36 ALUMINIOS FORJADOS 2014 -T4 2024-T4 6061-T6 ALEACIONES DE COBRE BRONCE T.F MONEL T.C LATON OTROS: HIERRO GRIS ASTM-20 T.F.- Trabajado en frío T.C.- Trabajado en caliente REC.- Recocido T.T.- Tratado térmicamente LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 2 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 1.2.- Relación entre dureza y resistencia máxima de un acero Dureza Dureza Rockwell σmax Brinell Bola de Escala Escala Escala carburo de (Aprox.) A B C tungsteno psi 60 kg 100 kg 150 kg 3000 kg 767 757 745 733 722 712 710 698 684 682 670 656 653 647 638 630 627 601 578 555 534 514 495 477 461 444 429 415 401 388 375 363 352 341 85.6 85.3 85.0 84.7 84.4 84.1 83.8 83.4 83.0 82.6 82.2 82.2 81.8 81.3 81.2 81.1 80.8 80.6 80.5 79.8 79.1 78.4 77.8 76.9 76.3 75.6 74.9 74.2 73.4 72.8 72.0 71.4 70.6 70.0 69.3 68.7 - 68.0 67.5 67.0 66.4 65.9 65.3 64.7 64.0 63.3 62.5 61.8 61.7 61.0 60.1 60.0 59.7 59.2 58.8 58.7 57.3 56.0 54.7 53.5 52.1 51.0 49.6 48.5 47.1 45.7 44.5 43.1 41.8 40.4 39.1 37.9 36.6 Dureza Dureza Rockwell σmax Brinell Bola de Escala Escala Escala carburo de (Aprox.) A B C tungsteno psi 60 kg 100 kg 150 kg 3000 kg 329,000 324,000 323,000 309,000 297,000 285,000 274,000 263,000 253,000 243,000 235,000 225,000 217,000 210,000 202,000 195,000 188,000 182,000 176,000 170,000 LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 331 321 311 302 293 285 277 269 262 255 248 241 235 229 223 217 212 207 201 197 192 187 183 179 174 170 167 163 156 149 143 137 131 126 121 116 111 68.1 67.5 66.9 66.3 65.7 65.3 64.6 64.1 63.6 63.0 62.5 61.8 61.4 60.8 - 100.0 99.0 98.2 97.3 96.4 95.5 94.6 93.8 92.8 91.9 90.7 90.0 89.0 87.8 86.8 86.0 85.0 82.9 80.8 78.7 76.4 74.0 72.0 69.8 67.6 65.7 35.5 34.3 33.1 32.1 30.9 29.9 28.8 27.6 26.6 25.4 24.2 22.8 21.7 20.5 20.0 18.0 17.0 16.0 15.0 - 166,000 160,000 155,000 150,000 145,000 141,000 137,000 133,000 129,000 126,000 122,000 118,000 115,000 111,000 105,000 102,000 100,000 98,000 95,000 93,000 90,000 89,000 87,000 85,000 83,000 81,000 79,000 76,000 73,000 71,000 67,000 65,000 63,000 60,000 58,000 56,000 3 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla1.3.- Eficiencia máxima permisible de las juntas soldadas por arco y por gas (según ASME) Tipo de unión Eficiencia Aplicación Juntas a traslape con filete simple 45 Juntas a traslape con filete doble 50 55 Juntas cuerpo-tapa con espesores menores de5/8” Juntas cuerpo-tapa con diámetro exterior máximo de 24” y espesor de ¼”. Juntas circunferenciales con espesor máximo de 1/8” Juntas longitudinales con espesores menores de 3/8” Juntas circunferenciales con espesores menores de 5/8” Juntas circunferenciales con espesores menores de 5/8” Uniones a tope simple sin cinta de retención Uniones a tope simple con cinta de retención Uniones a tope doble † Relevado de esfuerzos 60 65 80 § 90 † * 70 85 § 100 † * Juntas circunferenciales sin limitaciones Sin limitaciones § Radiografiado por partes * Radiografiado total Figura 1.1.- Eficiencias en soldaduras. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 4 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla1.4.- Centroide y momentos de inercia para las formas geométricas más comunes. Forma Área Centroide Momento de inercia Ix’-x’ A = b*h x=b y=h A= b*h 2 A = π .R 2 y=0 πR 2 x=0 A= A= π .R 2 4 b*h 2 1 3 bh 12 I= 1 3 bh 36 1 y= h 3 x=0 2 I= 2 x=0 1 A = πD 2 4 A= 2 y= 4.R 3π x= 4.R 3π y= 4.R 3π 1 x= b 3 I= π .D 4 64 I = 0.11.R 4 I = 0.055.R 4 I= 1 3 bh 36 I= 8a 3 b 175 1 y= h 3 A= a*h 3 LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES x= 3a 4 y= 3h 10 5 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.2- Placa con agujero transversal sometido a tensión axial Figura 1.3.- Placa ranurada a tensión axial LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 6 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.4.- Placa escalonada a tensión axial. Figura 1.5.- Barra escalonada a tensión LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 7 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.6.- Barra ranurada a tensión axial Figura 1.7.- Placa ranurada a flexión LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 8 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.8.- Placa escalonada a flexión. Figura 1.9.- Barra escalonada a flexión LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 9 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.10.- Barra ranurada a flexión Figura 1.11.- Barra escalonada sometida a torsión LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 10 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.12.- Barra ranurada sometida a torsión. Tabla 1.5.- Calculo del límite a la fatiga para diversos materiales y tipos de cargas. Material Flexión Cargas axiales Torsión Aceros σe’ = 0.5σmax σe’ = 0.425σmax τe’ = 0.25 σmax Fundiciones de hierro σe’ =0.4 σmax σe’ = 0.34 σmax τe’ = 0.8 σmax Aleaciones no ferrosas σe’ = 0.3 σmax σe’ = 0.255 σmax τe’ = 0.22σmax Donde: σmax = resistencia máxima del material Tabla 1.6.- Factor de corrección por tamaño (Kb) Tamaño (mm) Kb D ≤ 7.6 7.6 ≤ D ≤ 50 D ≥ 50 1 0.85 0.75 Tabla 1.7.- Factor de corrección por confiabilidad (Kc) Confiabilidad (%) Factor de corrección Kc 50 1.0 90 0.897 95 0.868 99 0.814 99.9 0.753 99.99 0.702 LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 11 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.13.- Factor de corrección Ka de acabado superficial Figura 1.14.- Factor de sensibilidad a la entalladura q, para aceros y aluminio sometidos a flexión o cargas axiales alternantes. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 12 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 1.15.- Factor de sensibilidad a la entalladura, q, para aceros y aluminio sometidos a torsión alternante. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 13 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS CAPÍTULO 2 FLECHAS Tabla 2.1.- Factores de corrección Cm y Ct para el proyecto de flechas (según Código ASME) Naturaleza de la carga Flechas estáticas Factor Cm Factor Ct Cargas estables Cargas con impacto 1.0 1.5 – 2.0 1.0 1.5 –2.0 1.5 1.5 – 2.0 2.0 – 3.0 1.0 1.0 – 1.5 1.5 – 3.0 Flechas giratorias Cargas estables Cargas con impacto moderado Cargas con impacto pesado Tabla 2.2.- Esfuerzos cortantes de cálculo, según ASME para árboles y flechas de acero. Condiciones de carga Flechas sometidas a flexión y torsión Flechas cometidas a flexión Esfuerzo cortante de cálculo (sin cuñero) τcal = 0.30 x σf Esfuerzo cortante de cálculo (con cuñero) τcal = 0.225 x σf τcal = 0.18 x σmax τcal = 0.135 x σmax τcal = 0.6 x σf τcal = 0.45 x σf τcal = 0.36x σmax τcal = 0.27 x σmax σmax = Resistencia máxima del material σf = resistencia a la fluencia del material Tabla 2.3.- Factor de seguridad F.S para el diseño de flechas según Normas ANSIASME Condiciones de carga Cargas estables Cargas con impacto moderado Cargas con impacto fuerte LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES Factor de seguridad F.S 2.0 3.0 4.0 14 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 2.4.- Factor teórico de concentración de esfuerzos Kt para diferentes condiciones geométricas en flechas (según Normas ANSI-ASME) Condición geométrica Factor Kt Cuñero de perfil 2.0 Cuñero de patín 1.6 Cambio de sección con radios de enlace pequeños 2.5 Cambios de sección con radios de enlace grandes 1.5 Ranuras 1.3 Figura 2.1.- Dimensiones de cuñeros. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 15 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 2.5.- Tamaño de cuña contra tamaño de flecha. Tamaño nominal de la cuña DIÁMETRO NOMINAL DE LA FLECHA Mas de (Pulg) Hasta (incluso) 5/16 7/16 9/16 ⅞ 1¼ 1⅜ 1¾ 2¼ 2¾ 3¼ 3¾ 4½ 5½ 6½ 7½ 9 11 13 15 18 22 26 7/16 9/16 ⅞ 1¼ 1⅜ 1¾ 2¼ 2¾ 3¼ 3¾ 4½ 5½ 6½ 7½ 9 11 13 15 18 22 26 30 Altura H (Pulg) Espesor, W Cuadrada 3/32 ⅛ 3/16 ¼ 5/16 ⅜ ½ ⅝ ¾ ⅞ 1 1¼ 1½ 1¾ 2 2½ 3 3½ 4 5 6 7 3/32 ⅛ 3/16 ¼ 5/16 ⅜ ½ ⅝ ¾ ⅞ 1 1¼ 1½ 1¾ 2 2½ 3 3½ Rectangular 3/32 ⅛ 3/16 ¼ ¼ ⅜ 7/16 ½ ⅝ ¾ ⅞ 1 1½ 1½ 1¾ 2 2½ 3 3½ 4 5 Nota.- No se recomienda el uso de los valores que aparecen en las áreas sombreadas. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 16 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 2.2. .- Ranuras de lados rectos Tabla 2.6.- Fórmulas para ranuras SAE rectas A B Ajuste Para que se deslice permanente sin carga Numero de ranuras Cuatro Seis Diez Diez y seis C Para que se deslice si se somete a carga W para todos los ajustes h d h d h d 0.241 D 0.250 D 0.075 D 0.050 D 0.850 D 0.900 D 0.125 D 0.075 D 0.750 D 0.850 D 0.100 D 0.800 D 0.156 D 0.098 D 0.045 D 0.045 D 0.910 D 0.910 D 0.070 D 0.070 D 0.860 D 0.860 D 0.095 D 0.095 D 0.810 D 0.810 D LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 17 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS CAPITULO 4 ENGRANES a)Engranes primitivos B) Curva de involuta C) Engranes de dientes rectos D) Engranes de dientes helicoidales E) Engranes cónicos espirales F) Engranes cónicos rectos LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 18 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS G) Engranes Zerol H) Engranes hipoides I) Engranes helicoidales cruzados J) Sinfín-corona K) Piñón- cremallera L) Posiciones Relativas Figura 4.1.- Diferentes tipos de engranes LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 19 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 4.1.- Engranes y sus principales características Tabla 4.2.- Factor de forma de Lewis LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 20 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 4.3.- Esfuerzos admisible para dientes de engrane (Ec. De Lewis) MATERIAL ESFUERZO ADMISIBLE (psi) Hierro fundido (ASTM 20) Hierro fundido, grado medio Hierro fundido, alta calidad Acero fundido, 0.2% C, sin tratar. Acero fundido, 0.2% C, tratado AISI 1020, Endurecido en la superficie AISI 1030,sin tratar AISI 1035, sin tratar AISI 1040, sin tratar AISI 1045, sin tratar AISI 1045, tratado térmicamente AISI 1050, tratado térmicamente SAE 2320, endurecido en la superficie SAE 3245, tratado térmicamente SAE 6145, tratado térmicamente Bronce SAE 62 Bronce fosforado SAE 65 Meehanite, grado GA Baquelita, Micarta, celoron 8000 10000 15000 20000 28000 18000 20000 23000 25000 30000 30000 35000 50000 65000 67000 10000 12000 12500 8000 Tabla 4.4.- Valores normalizados para el paso diametral (P) Serie normal Serie fina 2, 2.25, 2.5, 3, 4, 6, 8, 10, 12,16 20, 24, 32, 40, 48, 64, 96,120, 150, 200 Tabla 4.5.- Valores normalizados para el módulo (m) Serie normal 1, 1.25, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50 Tabla 4.6.- Factor de tamaño (Ks) Paso diametral ≥5 4 3 2 1.5 Modulo m Factor Ks 6 8 12 20 1.0 1.05 1.15 1.25 1.40 ≤5 LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 21 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 4.7.- Factor de aplicación (Ka) Máquina motriz Uniforme Choque ligero Choque moderado Máquina impulsada Uniforme 1.0 1.2 1.3 Choque ligero 1.25 1.40 1.70 Choque moderado 1.5 1.75 2.0 Choque pesado 1.75 2.25 2.75 Tabla 4.8.- Esfuerzos admisibles a flexión (según AGMA) Esfuerzo admisible a flexión Dureza Brinell (BHN) (psi) 26000 32000 38000 41000 46000 49000 150 200 250 300 350 400 (MPa) 180 225 250 290 320 345 Tabla 4.9.- Esfuerzos admisibles a la fatiga superficial (según AGMA) Dureza Brinell (BHN) Resistencia a la fatiga superficial 180 200 250 300 400 (psi) 90000 94000 114000 132000 164000 (MPa) 622 650 788 912 1133 Tabla 4.10.- Calidades de engranes (QV) que pueden obtenerse con distintos procesos de manufactura. Acabado Engranes fundidos o forjados Engranes maquinados Engranes rasurados o rectificados Engranes lapeados o bruñidos LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES Calidad QV 3a4 5a7 8 a 11 12 a 16 22 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 4.11.- Calidades recomendadas (QV) para algunas aplicaciones Aplicación Mezcladora de cemento Grúas Prensas Transportadores Lavadoras de ropa Mecanismos de computadoras Transmisiones automotrices Giroscopios QV 3a5 5a7 5a7 5a7 5a7 10 a 11 10 a 11 12 a 14 1,2 1 KV 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 V (pies/min) Figura 4.2.- Factor dinámico KV para calidad QV=7 (Sistema inglés) LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 23 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS 1,2 1 KV 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 V (m/s) Figura 4.3.- Factor dinámico KV para calidad QV=7 (Sistema métrico) Figura 4.4.- Factor geométrico J de AGMA, ángulo de presión = 20° LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 24 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Figura 4.5.-Factor de geometría I para piñón recto externo a) Angulo de presión= 14.5 °, diente de profundidad total, adendo estándar = 1/P. b) Ángulo de presión = 20 °, dientes de profundidad total, adendo estándar = 1 / P. c) Ángulo de presión = 20 °, dientes cortos, adendo estándar = 0.8/P. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 25 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS CAPÍTULO 3 RESORTES A )Resortes a compresión B )Resortes a tensión c)Resortes a torsión d) Resortes cónicos e) Resortes espirales f) Resortes planos g) Otros tipos Figura 3.1.- Clasificación de los resortes. LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 26 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Extremos simples Extremos escuadrados Extremos rectificados simples Extremos escuadrados y rectificados Figura 3.2.-Tipos de extremos en resortes helicoidales a compresión Tabla 3.1.- Altura libre y altura sólida en resortes a compresión. Tipos de extremos No. Total de espiras Nc Simples A escuadra Rectificado simple Escuadrados y rectificados Nc + 2 Nc Nc + 2 Altura sólida (Hs) Altura libre (HL) (Nc + 3) d Nc . d (Nc + 2) d (Nc.p) + 3d Nc. p (Nc.p) + (2d) (Nc + 1) d (Nc. p) + d Donde: p = distancia entre espiras = tan λ .π . D d = diámetro del alambre Nc = número de espiras activas D = diámetro medio del resorte λ = ángulo de hélice (< 13 °) Figura 3.3.- Tipos de extremos en resortes helicoidales a tensión LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES 27 DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Tabla 3.2.- Materiales para la fabricación de resortes. Material Temp.. de operación Alambre cuerda de piano Templado en aceite y revenido Alambre estirado en frío Acero al Cr- V templado en aceite y revenido Acero al Cr- Si templado en aceite y revenido Bronce fosforado Especificación AISI (ASTM) 0- 120 °C 0- 125 °C AISI- 1085 (A-228) AISI- 1065 (A-229 0- 102 °C 0- 220 °C AISI- 1066 (A-227) AISI- 6150 (A-232) 0- 250 °C AISI- 9254 (A-401) 0- 100°C CA-510 (B-159) Tabla 3.3.- Constantes para el calculo de la resistencia a la tensión (σmax = A/dm ) de alambres de acero. Material Exponente m Alambre cuerda de piano 0.163 0.193 186 146 2060 1610 0.201 0.155 137 173 1510 1790 0.091 218 1960 Alambre de acero templado en aceite y revenido Alambre estirado en frío Acero al Cr- V templado en aceite y revenido Acero al Cr- Si templado en aceite y revenido Coeficiente A ksi MPa Tabla 3.4.- Calculo del esfuerzo admisible al corte en resortes bajo cargas estáticas. Material Esfuerzo admisible al corte Alambre de acero estirado en frío Alambre de acero templado y revenido Aceros inoxidables y aleaciones no ferrosas LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES τadm = 0.45σmax τadm = 0.50 σmax τadm = 0.35 σmax 28