Capítulo 1 Segunda parte
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Versión 2014 CAPITULO 1 ESTUDIO CONCEPTUAL DE ELEMENTOS DE MÁQUINA. EL DISEÑO División 2 El diseño en Ingeniería UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 1. Diseño en Ingeniería: Introducción La palabra diseño puede significar diferentes cosas para diferentes personas, lo cual va desde un vestido de gala extravagante de las pasarelas hasta el aspecto de un automóvil o bien un vehículo espacial. En esta amplia variedad de aplicaciones, se entenderá que para los ingenieros, el diseño significa algo de importancia superlativa para el bienestar de la sociedad. Así pues, existen dos términos a interpretar en su extensión y concepto: diseño e ingeniería. La ingeniería es definida por la ABET (Accreditation Board for Engineering and Technology) como: ... aquella profesión en la que el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales adquirido por estudio, experiencia y práctica se utiliza con buen juicio para desarrollar diversas formas de utilizar económicamente los materiales y fuerzas de la naturaleza para el beneficio de la humanidad. Lo que distingue a la ingeniería de muchos otros campos es que intenta conducir lo teórico a lo práctico con el fin de desarrollar productos, procesos y métodos en vez de meramente observar y registrar los fenómenos involucrados al modo de la ciencia. En esto hay que comprender que la ciencia explica lo que “es” en tanto que la ingeniería crea lo que “no existía” previamente. Por ejemplo, un físico estudia y registra sus observaciones para mejor entender algún fenómeno o proceso físico. Por otra parte, un ingeniero utiliza la información científica disponible (que también puede ser desarrollada por otros ingenieros) para hacer un proceso o un producto particular accesible a la sociedad. Sin embargo físicos (u otros profesionales) e ingenieros conocen algo del trabajo y actividad del otro, aún así en algunos casos son los ingenieros quienes investigan determinados fenómenos no estándar para darles respuesta en términos convencionales, lo cual conduce a las ciencias de la ingeniería. Figura 1.3. Distinción de actividades de las ciencias de la ingeniería ante en un problema. UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 En la Figura 1.3 se puede apreciar una distinción de actividades de ciencias de ingeniería que conduce al enfoque de varios problemas asociados al diseño con distintos procedimientos. El ABET define la parte de diseño de la ingeniería como sigue: El diseño en ingeniería es el proceso de idear un sistema, componente o proceso para satisfacer ciertas necesidades. Es un proceso de toma de decisiones (a menudo iterativo) en el que las ciencias básicas y las ciencias de la ingeniería se aplican para convertir recursos en forma óptima a fin de cumplir un objetivo estipulado. Entre los elementos fundamentales del proceso de diseño se encuentran el establecimiento de objetivos y criterios, síntesis, análisis construcción ensayos y evaluación. Si se entiende con propiedad, tal actividad no es otra cosa que la solución de un problema. La organización de la resolución de los problemas de la ingeniería es un dominio jerárquico y una forma de ver esto es analizando la Figura 1.4. Resulta obvio de este diagrama, que muchos subcampos son parte del dominio más general de resolución de problemas. Es fácil pensar que dicha resolución no es en sí un diseño, ya que no está orientada hacia el desarrollo de un producto o proceso. Por ejemplo, cuando se resuelve un problema legal o contable es probable que no se trate de un diseño. Así mismo se puede seguir la estructura jerárquica y ver que hay tipos de diseño que no implican el uso de fundamentos de ingeniería. Un buen ejemplo de esto se trata del diseño de interiores de casas, el cual depende en mayor medida del buen gusto o arte antes que de un conocimiento acendrado de ingeniería. Dentro del dominio del diseño ingenieril hay muchos subdominios que se refieren a las diferentes disciplinas de la profesión del ingeniero. En el contexto del curso se pretende que la disciplina preponderante sea la de ingeniería mecánica, no obstante se debe reconocer que hay otras actividades de diseño asociadas a otros campos de la ingeniería tales como la eléctrica, electrónica, civil, naval, aeronáutica, etc. Figura 1.4. Subdominios de jerarquía en la resolución de problemas. UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 Figura 1.5. Subdominios de jerarquía en la resolución de problemas de ingeniería. En la Figura 1.4 los tres subdominios más internos son los del “diseño mecánico”, “diseño de máquinas” y “Elementos de máquinas”. La distinción más clara entre los primeros dos estriba en que el primero puede ser dividido en dos ramas: - rama de la energía y su transformación - rama de las estructuras y su movimiento El orden de secuencia jerarquizado se puede ver más claramente en el Figura 1.5. La acepción “Diseño mecánico” se aplica al diseño de sistemas de la ingeniería mecánica donde ambas ramas están involucradas en diferentes ordenes de importancia. Sin embargo el diseño de máquina es un subdominio del diseño mecánico general, donde lo fundamental se desarrolla sólo en la parte estructural y cinemática. Por ejemplo, el diseño de los intercambiadores de calor, los motores de combustión interna, bombas de calor, autoclaves, hornos de secado, etc. implica un diseño mecánico, pero no estrictamente un diseño de maquinas en el sentido clásico, dado que tal sentido involucraba sólo aspectos estructurales y cinéticos, mientras que los anteriores ejemplos exigen la concurrencia de termodinámica, transferencia de calor y combustión, temas relativos a la rama energética. Por otra parte, el diseño de una caja de engranajes, la transmisión de movimiento impulsado por cadenas, o la estructura de un motor, son claros ejemplos de diseños mecánicos clásicos, pues dependen de material técnico relacionado con la resistencia de materiales, la cinemática y la dinámica, lo cual está más relacionado con la rama estructural de la ingeniería mecánica. El “diseño de elementos de máquina” presenta de suyo varios de los conceptos ilustrativos de los párrafos anteriores. En este particular subdominio de la secuencia jerárquica de la resolución de problemas se entretendrá con mayor detalle la actividad del curso. En virtud de lo descrito en el párrafo anterior, los tópicos que se traten en el diseño de elementos de máquinas estarán fuertemente relacionados con la rama estructural-cinemática y UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 consecuentemente con sus metodologías de análisis, lo que impone un proceso de abstracción y reducción del fenómeno físico. En este proceso de abstracción y de reducción del fenómeno físico intervienen distintas hipótesis y criterios, cuyo detalle y precisión hará mejor un modelo de análisis frente a otro. 2. El Proceso del Diseño y sus razones Ahora bien, establecidos los primeros conceptos relacionados con el diseño en ingeniería, se clarificará cuanto se pretende entender por “Diseño” desde la óptica del curso de elementos de máquina, respondiendo las siguientes preguntas: a) QUE implica la palabra diseño y QUE alcance tiene. b) PORQUE se necesita diseñar, específicamente en el marco y ambiente de ingeniería c) COMO se diseña y con cuales herramientas se puede hacer en forma óptima. Sobre el significado de la palabra “Diseño” (el QUE), se puede buscar en un diccionario, y figurarán acepciones como “idea en mente”, “medio de obtención”, “esquema preliminar de una pintura”, “adaptación de algo”, “plan o esquema”, “invención” y otras tantas que alternativas y explicaciones que en algunos casos nada tienen que ver con la ingeniería. Aún así se pueden extractar una serie de ideas para aclarar el concepto: - - - Idea en mente: supone la idea de un proceso de razonamiento o de pensamiento, donde el diseño tiene que ver principalmente con ideas y formas y no directamente con números o computadoras, las cuales obviamente tienen una importante utilidad para visualizar en forma realista las características de un dispositivo, mecanismo, etc. Medio de obtención: supone que lo que se está diseñando no es un ejercicio mental abstracto, sino que tiene un objetivo preciso, o sea, obtener un artefacto determinado. Plan o Esquema: esto infiere que el proceso de diseño debe ser comunicado a los demás para que pueda ser llevado a cabo, lo que no implica directamente algún énfasis numérico. Invención: esto significa claramente obtener algo nuevo e innovador, es decir crear algo. En resumidas cuentas como definición del diseño en ingeniería se puede decir que: “El diseño en ingeniería es la aplicación de la creatividad en el planteamiento de una solución óptima de un problema determinado y la comunicación de tales ideas a otros“. UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 Además del aspecto comunicativo, se entiende que existe un aspecto de cálculo, que es esencial al diseño. Sin embargo esta última faceta no significa lo mismo que en la matemática convencional, donde puede garantizarse una solución única siguiendo determinados algoritmos. Los problemas de diseño que surgen de la vida real, normalmente pueden tener varias soluciones y ser de diferente índole. Algunas de las posibles soluciones serán mejores que otras y se adaptan mejor a ciertos requisitos: OBJETIVOS y CRITERIOS establecidos a priori. Debe quedar claro que si bien en el diseño existe una secuencia ordenada, esta no debe ser entendida en el sentido de un algoritmo matemático. Algunos problemas parecerían no necesitar de un diseño adecuadamente pensado. Esto es particularmente cierto cuando la solución se puede basar en la experiencia en virtud de una gran acumulación histórica de evidencias a favor de solución propuesta. Sin embargo sin tal evidencia ni tal influencia de la experiencia directa, una poco sopesada solución, pronto se convertirá en algo incómodo o molesto, ya que en la medida que tal diseño involucre a muchas personas pasará a formar parte del voluminoso tacho de basura de diseños fracasados. Con esto se llega a otro de los lemas del curso: LEMA 2: No existe solución establecida o antigua que sea la solución óptima. En la obtención de ésta última es donde se debe poner el mayor de los esfuerzos. Ahora bien, desde un punto de vista algo dramático, PORQUE se debe diseñar, reside en la necesidad de SUBSISTENCIA. En la actualidad, muchas personas pueden vivir suministrando “productos o servicios” a otras personas. En el caso de los ingenieros, tales “productos o servicios” son máquinas, artefactos, dispositivos o conocimiento que dan solución a ciertos problemas de los compradores. Pero como en todo proceso de compra y venta, oferta y demanda, se produce una opinión o una valoración de los “productos o servicios”, si un cliente no está satisfecho con su proveedor, obviamente lo cambiará por otro más competente o que puede suministrar un mejor “producto o servicio”. Luego el proveedor anterior, dejará de existir en el mercado porque nadie querrá contar con sus servicios o su producto. En resumidas cuentas, SI LOS PRODUCTOS Y SERVICIOS (MÁQUINAS, KNOW HOW, ETC.) NO SON COMPETITIVOS O SON DEFICIENTES LOS POTENCIALES CLIENTES NO LOS APRECIARAN NI LOS QUERRAN. Para fijar estas ideas, a continuación se analizarán tres casos de la vida real, aunque omitiendo los nombres verdaderos. UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 Caso primero: El asunto de la Consultora de Alberto. Proyecto no competitivo. Alberto trabajó como ingeniero en un estudio de ingeniería especializado en el proceso de minerales de hierro para siderurgias. Cierta compañía minera quiso explotar un reservorio para lo cual llamó a licitación con miras a construir una nueva planta. Varios estudios de ingeniería se presentaron con este fin. Es esta etapa todos los estudios de ingeniería deben efectuar estimaciones de costos y competencias para realizar el proyecto y/o diseño. “Por este servicio los estudios de ingeniería no perciben pago alguno”. La compañía minera evaluó los proyectos y seleccionó el que mejor satisfizo sus necesidades. El estudio de Alberto no ganó en esta instancia, lo cual no es dramático pues todos los estudios estiman esta circunstancia. Sin embargo, tampoco ganó ni en la siguiente, ni en las otras compulsas donde se presentaron hasta que el estudio quebró. La razón: sin diseños satisfactorios y sin ingresos de dinero, el estudio se fue a pique. Esto significa que el estudio no fue competitivo o bien en diseños o bien en precios. Así pues Alberto tuvo que conseguir nuevo empleo. Conclusión de Alberto: Su promedio de 8.5, muy bueno para la visión académica, en la vida real no da garantías de nada. Caso segundo: El asunto de la Consultora de Ignacio. Proyecto con fallas no pensadas. La Firma donde trabaja Ignacio, que construye e instala grandes hornos industriales, fue contratada para instalar un horno en la planta fabril de una empresa. Ignacio tuvo la responsabilidad de velar por la correcta confección del contrato. Razón por la cual analizó cuidadosamente todos los requisitos de control de los mecanismos, las fuentes de energía, la aislación del ruido, las dimensiones de la chimenea, etc. Ignacio era técnicamente muy buen y competente ingeniero, además de poseer aceptable experiencia, preciso y meticuloso en los cálculos. Su recomendación, a semejanza de otros casos estándar, fue la instalación de un horno a gas como la solución óptima al problema. Así el horno fue aceptado por el cliente y fue diseñado en todos los detalles, construido, instalado y puesto en servicio. Todo iba bien hasta reportarse continuos dolores de cabeza en el personal de una oficina técnica de la empresa. Se efectuaron investigaciones que demostraron que el causante era las vibraciones que producía el ventilador del horno, que recibía aire por un ducto que pasaba por la oficina. Ignacio logró reconfigurar el ducto y satisfacer al cliente. Sin embargo, la consultora de Ignacio tuvo que costear la investigación y gastos extras, lo cual provocó que Ignacio no fuera considerado para evaluar otros contratos. Conclusión de Ignacio: en el diseño hay más cosas envueltas que un simple cálculo. Un diseño estándar incompleto que no capte el punto de vista de todos los involucrados, es la mejor receta para tener problemas. Caso tercero: El asunto del proyecto de Arturo. Proyecto improvisado. Arturo era un ingeniero, dueño de un taller de mecanizado que poseía varios y muy importantes contratos de mantenimiento y reparación con industrias del ramo alimenticio. El taller estaba dotado de capacidad en máquinas herramientas UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 convencionales y modernas como para llevar a cabo cualquier tipo de construcción mecánica a pequeña y mediana escala. Cierta empresa de producción de gaseosas, que contrataba a Arturo para el mantenimiento, decidió mejorar y potenciar las líneas de producción por un contrato total de 300.000 dólares. Arturo, con muchos años de experiencia y conocimiento cabal de las instalaciones de la empresa, decidió ofrecer la solución con su equipo técnico. Como hombre experto creyó dar en la tecla sólo con reformar pocas partes y reemplazar carros con tracción a fricción por tracción a cremallera. Esto lo hizo sin diseñar estrategia alguna y sólo bajo su propia experiencia, desestimando otras opiniones. Así, no sopesó “detalles” que resultaron importantes por acumulación. Esto condujo a que la ganancia prevista en 50.000 mil dólares, quedará reducida a sólo 9.000 dólares. Conclusión: antes de tomar decisiones rápidas hay que meditar más respecto de los detalles. Además, la experiencia puede no servir con problemas no convencionales. Con estos tres ejemplos se pueden establecer una serie de conclusiones. Nadie puede darse el lujo de quedarse parado ni tampoco mantenerse en la vida copiando o repitiendo casos. La innovación es una necesidad de máxima para sobrevivir especialmente caoticidad que genera el cambio. Esto no significa que todos los aspectos del diseño exitoso sean novedosos o innovadores. En buen romance, no hay que reinventar la pólvora, ni la rueda para desarrollar algo sustancialmente efectivo. Figura 1.6. Etapas en la vida de un artefacto determinado Una manera oportuna para entender la importancia del diseño a modo de introducir él COMO, es viendo el diseño en el contexto de un artefacto típico que evoluciona desde su concepción inicial, a través de las fases que se observan en la Figura 1.6 hasta su eventual obsolescencia y retiro. Así pues en la Figura 1.6 se pueden distinguir los siguientes fases: UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 - Existe el reconocimiento de una necesidad y con esto la CONCEPCION del problema. Se efectúa el DISEÑO de cierto artefacto para cumplir con los requisitos del problema. El artefacto es enviado a fábrica para su MANUFACTURA. Se procede a la VENTA del artefacto. La OPERACION del artefacto causa en sus componentes un desgaste. El desgaste mencionado exige un plan de MANTENIMIENTO. Eventualmente se produce el RETIRO del artefacto cuando llega el fin de su vida útil. El DISEÑO es el trampolín para todas las fases subsecuentes de un producto, y es en la fase del DISEÑO donde se cimienta la satisfacción posterior de las personas que utilizarán el producto o artefacto. Esta es la razón por la que la realimentación de las ideas anticipatorias posee una importancia superlativa (recordar el Caso segundo: la consultora de Ignacio). Un diseñador debe ponerse en el lugar de otras personas y debe visualizar (mentalmente o con el auxilio de VR-CAD-CAM-CAE) sus interacciones con las del artefacto que diseña. En la Figura 1.6, hay una serie de facetas del proceso de diseño en cuanto a la creatividad que necesitan de una explicación adecuada. - - - - - - Estudio de Factibilidad: Este es un informe que describe en forma amplia pero concreta la solución óptima. Un componente importante en los estudios de factibilidad de la vida real es el COSTO de la solución, pero en esta etapa no se considera el costo del detalle en sí mismo. Investigación Operativa: es la rama de la matemática que estudia mediante modelos (algoritmos o ecuaciones) los procesos industriales o comerciales, tales como planificación, distribución, etc. Ingeniería de detalles: Comprende todos los detalles necesarios para desarrollar la etapa de MANUFACTURA. Son los detalles omitidos en la concepción gruesa del estudio de factibilidad. En la práctica una solución debe ser primero admitida como factible antes de ser admitida su fabricación. Investigación y desarrollo: si un diseño se halla en los límites conocidos de la práctica o ciencia, no sería posible modelar adecuadamente ciertos aspectos de cu comportamiento. Esto involucra experimentación e introducción de nuevos modelos o ideas de como solucionar los aspectos desconocidos, de forma que diseños basados en estos conceptos o modelos se hagan con seguridad y confianza. Ergonomía: Esto se relaciona con la estética, seguridad y facilidad de uso de los productos. Los principios de ergonomía se utilizan para optimizar la interacción entre hombre y máquina, facilitando las tareas del primero. Relaciones industriales: Junto con la salud ocupacional y la seguridad, las relaciones industriales son partes importantes en la elaboración de un diseño, ya que tiene que ver con la satisfacción del usuario. UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 - Ley de Incertidumbre: una de las clásicas leyes de Murphy sugiere “Si algo puede salir mal, seguramente irá mal y por lo pronto en el peor momento”. Ahora bien, establecido este contexto introductorio, se verá el concepto del COMO diseñar. Usualmente los ingenieros solían sentirse incómodos al tratar un nuevo diseño desde el origen, esto es lo que se llamó “El síndrome del papel en blanco”. Aunque no hay una forma mecanizada o estructurada paso a paso que conduzca a la solución “correcta” del problema de diseño, se debe mencionar que existen varias técnicas que pueden ser aprendidas para encarar el diseño con suficiente seguridad y con una expectativa de logro razonable. En la Figura 1.7 se muestra una Estrategia de Diseño Sistemático con las múltiples iteraciones que se deben efectuar y las actividades computacionales de apoyatura. En la Figura 1.8 se muestra un proceso rudimentario de diseño (basado en “el modelo”) el cual se halla como caso particular dentro de un grupo de metodologías como las de “Pahl y Beitz” y “SEED” (ver en la página web http://www.mech.uwa.edu.au/DANotes/design/how). La estrategia presentada en la Figura 1.8 es la que se utilizará en el curso. Figura 1.7. Estrategia de Diseño Sistemático con iteraciones múltiples. Figura 1.8. Estrategia de Diseño Simplificado (MODELO). La estrategia de la Figura 1.8 tiene seis pasos, a saber: UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 - - Paso 1: reconocer la NECESIDAD: Los productos y procesos creados por el diseño de ingeniería son una respuesta directa a necesidades específicas de la sociedad. El primer paso en el proceso de diseño es probablemente la parte más importante del proceso completo. Sin embargo, suele dársele un tratamiento inadecuado en dicho proceso. Un enunciado sobre la necesidad que sea formulado de manera cuidadosa puede a menudo ahorrar considerable tiempo y energía después durante el ciclo de diseño. Implícito en cualquier enunciado sobre la necesidad, está el reconocimiento de las restricciones reales del problema. Una vez que se ha establecido tal enunciado, es aconsejable que el diseñador lo revise periódicamente durante el proceso, de tal modo que pueda ser corregido en caso necesario. En síntesis el problema debe exponerse de forma que sea EXTENSIVO (no proponer condicionamientos innecesarios) y COMPLETO (contemplando todas las necesidades de los involucrados). Paso 2: Crear un DISEÑO: una vez que la necesidad ha sido claramente reconocida y enunciada de manera sucinta, el siguiente paso es comenzar a crear ideas de diseño que satisfagan esta necesidad. De todos los pasos del proceso de diseño, este es el que requiere el mayor ingenio e imaginación. En este paso se deben tener presente 1) la generación de ideas, 2) evitar la crítica excesiva, 3) se debe puntualizar las RESTRICCIONES del diseño (es decir “más grande que”, “más delgado que”, etc.) y - - 4) generar los CRITERIOS (que pueden ser “bajo costo”, “alto rendimiento”, “mayor seguridad”, etc.). Paso 3: hacer un MODELO: Una vez que una idea ha sido creada, resulta necesario encontrar un medio de evaluar la calidad de esa idea para satisfacer los requisitos de la necesidad. Por supuesto, una manera de hacer esto sería construir la idea de diseño sugerida, lo cual es impráctico por razones de costo, tiempo y esfuerzo. Para cuidar de esos tres factores, se utilizan modelos simplificados para evaluar la idea de diseño. Un modelo puede ser real o abstracto y puede ser cualquier cosa, desde una simple imagen mental de la idea hasta una reproducción física o matemática compleja del concepto propuesto. Un modelo empleado frecuentemente es una ecuación matemática que describe el comportamiento físico de la parte. Mucho de lo que resta por ver en este curso se dedicará a desarrollar tales relaciones matemáticas. Se debe entender que todo modelo es una aproximación de la realidad del fenómeno físico. Por ello es importante distinguir cuando el modelo es apropiado y cuando no. En la Figura 1.9 se puede apreciar la comparación entre un modelo de trinquete (muy sencillo por cierto) a escala y otro construido por CAM (con la técnica de rapid prototype). En las Figuras 1.10.a y 1.10.b se pueden observar un modelo de amortiguador hecho por computadora (mediante elementos finitos) y su modelo matemático analítico. Paso 4: Probar el modelo: Una vez que el modelo ha sido preparado, es necesario entonces evaluar la idea de diseño propuesta cotejando el modelo. La prueba implica usualmente juicios valorativos. En el caso de un modelo matemático de un fenómeno UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 físico el ingeniero pondrá valores y registrará los resultados y los cotejará con el material que tenga a disposición. Esto significa que se deberá discriminar si el diseño resiste, alcanza la potencia exigida, etc. La prueba del modelo puede hacerse en función de otras soluciones comparables: métodos computacionales, modelos de laboratorio, etc. (a) (b) Figura 1.9. Comparación de modelos a escala. (a) reproducción real (b) por mecanizado computarizado Fuente: ver [6] en referencias bibliográficas (a) (b) Figura 1.10. Modelos de amortiguador. (a) Computacional geométrico (b) Analítico. Fuente: ver [7] en referencias bibliográficas - - Paso 5: Mejorar el Diseño: a partir de las comparaciones efectuadas, se debe tener una medida cuantitativa del éxito o fracaso de la idea. Es decir, si las ideas deben abandonarse o guardarse para una mejora posterior. En este proceso se obtienen las evidencias de donde debe efectuarse la modificación y así se retorna al Paso 2. Es importante tener en cuenta que el proceso de diseño puede conducir a muchas soluciones factibles o bien a ninguna solución de acuerdo a los lineamientos establecidos en los puntos anteriores. Esta característica es la que hace al diseño diferente de otros problemas de las ciencias de la ingeniería, donde frecuentemente se tiene unicidad de solución. Aún así se tendrá en claro que el mejor de los diseños propuestos SATISFACE TODOS LOS CRITERIOS, y no unos pocos. Paso 6: Generar Informe: Sin importar la calidad del diseño, el mismo no se convertirá en producto o proceso útil si los detalles del mismo no son comunicados en forma clara y precisa para su implementación. La comunicación de las ideas del diseño ingenieril puede ser escrita, gráfica, oral, informática, etc. UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 3. Las etapas operativas del Diseño Los pasos que se mencionaron en el apartado 2, sirven para un procedimiento de diseño determinado. Esto no inhibe que el mismo procedimiento sea repetido una y otra vez. En el ambiente industrial, el diseño es ejecutado con frecuencia por medio de una serie progresiva de cuatro etapas operacionales. Cada una de ellas implica un ciclo de diseño como el de la Figura 1.8, y se conecta en serie con la siguiente, de manera que la salida de una etapa dará una necesidad para la siguiente y así sucesivamente hasta concluir. Estas etapas se discriminan a continuación. - - - - ETAPA 1. FACTIBILIDAD: En esta etapa se determina si es posible y ventajoso en términos económicos iniciar un proyecto determinado. El enunciado típico de la necesidad de esta etapa sugiere “se considere la conveniencia de...” o “la factibilidad económica de ...”. Las ideas de esta etapa consisten en enunciado mas bien generales y basados estrictamente en modelos económicos o de investigación de mercados. La salida de esta etapa es una recomendación para proceder o abandonar el proyecto. ETAPA 2: PRELIMINARES: En esta etapa se efectúan juicios solamente cualitativos sobre los componentes y recursos para satisfacer las necesidades de la etapa anterior. El enunciado sobre la necesidad de esta etapa es la selección de la clase de componentes requeridos para hacer el producto o proceso. ETAPA 3: DETALLE: La salida de la etapa 2 forma parte de un enunciado sobre la necesidad de especificación completa y detallada de los elementos recomendados para el producto o proceso. Las tareas implican una mayor proporción de selecciones cuantitativas con respecto al tamaño, forma, orientación, etc. Esta es la etapa de los cálculos más clásicamente difundida por la tradición oral. La salida de esta etapa conduce a la fabricación del producto. ETAPA 4: REVISIÓN: concluida la etapa de diseño y con el producto o proceso puesto en servicio, puede ser conveniente usar la experiencia de campo para establecer mejorar a futuro. Esta etapa no siempre se tiene en cuenta en el proceso de diseño. 4. Diseño mecánico asociado a la Asignatura En la asignatura se verán una serie de contenidos específicos y propios de la misma así como también se intercalarán puntos de vista de otras áreas temáticas, aprovechando la misión “integradora” de la asignatura. En cada una de estas actividades existirán una dedicación y profundidad que dependerán del contenido específico asociado a la asignatura. Así pues en la Figura 1.11 se puede apreciar una discriminación de las áreas temáticas más importantes vinculadas con el diseño mecánico que tienen por otro lado mayor peso en el diseño de UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 elementos de máquina. En ella se observan con diferentes colores los grados de importancia y detalle, en forma análoga al uso del semáforo, es decir rojo para detenerse (detenimiento implica detalle), verde para seguir de largo (lo que implica una descripción somera) y amarillo para seguir de largo con cautela o detenerse selectivamente. Figura 1.11. Discriminación de las áreas temáticas a cubrir y su nivel de profundidad. Las siete líneas temáticas que se vinculan con la asignatura se desgranan a continuación: 1) Componentes para líneas de transmisión •Piezas generales •Ejes y accesorios asociados •Embragues y frenos •Acoplamientos •Engranajes •Cadenas: metálicas y plásticas •Correas: planas, trapezoidales, sincrónicas. •Volantes y levas •Resortes y muelles •Tornillos de apriete y tornillos de movimiento •Uniones por soldadura y pegamento 2) Transmisiones mecánicas de Velocidad Fija •Cajas de engranajes. Relaciones Fijas •Transmisiones de cadenas metálicas UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan Versión 2014 3) Transmisiones mecánicas ajustables •Trenes de engranajes •Transmisiones de tracción y/o arrastre •Transmisiones de pasos variables: correas •Transmisiones por ejes flexibles 4) Componentes de seguridad para máquinas •Sellos: de compresión, frontales, axiales, inflables, radiales, etc.. •Empaques: de compresión •Juntas: metálicas y no metálicas •Diafragmas 5) Motores de combustión interna, eléctricos, etc. •Motores de combustión interna: 2T o 4T •Motores eléctricos •Motores Hidráulicos 6) Lubricación y cojinetes de todo tipo •Fundamentos de Lubricación y Tribología •Cojinetes de fricción: radiales y axiales •Cojinetes de rodadura: Rodamientos 7) Mecanismos: análisis y síntesis cinemática •Mecanismos de 4, 5 y 6 barras •Mecanismos especiales: levas •Síntesis cinemática •Introducción de aspectos dinámicos 5. Bibliografía [1] J.E. Shigley y C.R. Mischke, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, McGraw Hill 2002 [2] B.J. Hamrock, B. Jacobson y S.R. Schmid, “Elementos de Máquinas”, McGraw Hill 2000 [3] M.F. Spotts y T.E. Shoup, “Elementos de Máquinas”, Prentice Hall 1999 [4] A.H. Erdman y G.N. Sandor, “Diseño de Mecanismos” Prentice Hall 1998 [5] R.L. Norton, “Diseño de maquinaria”, McGraw Hill 2000 [6] Hod Lipson, Francis C. Moon, Jimmy Hai, Carlo Paventi, “3D-Printing the History of Mechanisms”. School of Mechanical and Aerospace Engineering, Cornell, Ithaca. [7] Algor News, http://www.algor.com UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan
