Factores que modifican el limite de resistencia a la fatiga

2.1 Definición de máquina y mecanismo

Mecanismo: es un dispositivo para el acoplamiento y transformación del movimiento Maquina: es un mecanismo o conjunto de mecanismos para la manipulación de la energía

Siempre el concepto de máquina envuelve la idea de energía, en cambio la definición de mecanismo la excluye básicamente, refiriéndose únicamente al movimiento. En consecuencia, movimiento es la palabra clave que define a un mecanismo y conjunto de mecanismos resulta ser una máquina cuando se interpreta que manipula energía.

2.2 Clasificación en el estudio dinámico de las fuerzas en función del tiempo

Fuerzas estáticas: tiene un valor constante, que se alcanza por la aplicación lenta y gradual, dando lugar a tensiones invariables en el tiempo. Los materiales fallan por alcanzar tensiones de fluencia.  Fuerzas variables: producen tensiones cuyo valor cambia periódicamente entre dos límites extremos, los materiales fallan por fatiga.
Fuerzas de impacto: se aplican en forma súbita o a gran velocidad. Las piezas fallan por incapacidad de absorber la energía originada en el impacto.

2.3 Diseño mecánico. Estudio Cinemático. Tipos de Criterios

Criterio de análisis: dado un mecanismo de configuración y entrada conocidos, se determinan las carácterísticas cinemáticas de la salida (trayectoria, velocidad, aceleración, etc.) Criterio de síntesis: fijadas las condiciones que deben ser cumplidas a la salida a partir de una entrada dada, encontrar la configuración necesaria del mecanismo.

2.4 Dimensionamiento. Criterios de Cálculo. Proyectar un elemento de maquina con el criterio de:

Rigidez: significa darle forma y dimensiones tales que sus deformaciones elásticas no alcancen valores fijados. Ej.: cálculo de ejes cuando se limitan las flechas máximas. Resistencia: significa darle forma y dimensiones tales que bajo cargas a que estará sometido en su función, no alcance alguno de sus puntos, tensiones que lleven a la falla.
Desgaste: interés en que se mantenga una adecuada precisión durante su vida útil. Ej.: engranajes.

2.5 En un sistema de fuerzas motrices, cuáles son las variables que intervienen en el rendimiento de la máquina

La razón de ser de las maquinas es efectuar un trabajo útil. Las fuerzas asociadas a esa función principal son conocidas en general, supuestas o calculables (fuerzas útiles). Las maquinas requieren además vencer las fuerzas resistentes debidas a los rozamientos y acelerar y vencer la inercia de sus elementos. Todas las fuerzas están asociadas a energías de difícil aprovechamiento y su magnitud define en muchos casos el rendimiento de la máquina.

2.6 En que caso las teorías de fallas resultan innecesarias tenerlas en cuenta para el dimensionamiento

Las teorías de fallas serian innecesarias si fuese posible efectuar un ensayo apropiado de modo que la pieza estuviese sometida a la misma clase de tensiones que se prevén para el uso real.

2.7 Que criterios tendría en cuenta para el dimensionamiento de una maquina

Técnicos

resistencia, rigidez, desgaste, duración, lubricación

Económicos

Costos, diseño, tolerancia, precio, tamaño, montaje

Humanos

Seguridad, ruido, utilidad, forma, control

2.8 Por que se utilizan teorías de fallas

La utilización de las teorías de fallas está fundamentada en la imposibilidad de efectuar un ensayo que reproduzca exactamente las mismas tensiones que se prevén para el uso real y por la posibilidad de encontrarse esfuerzos combinados. Por ese motivo, se determina el valor de resistencia máxima utilizable del material para limitar las cargas aplicables, mediante un ensayo de tracción. 

Las teorías de falla se utilizan, en la etapa de diseño, para presuponer el modo de falla bajo las condiciones de servicio dadas (ej.: fluencia, fractura), eligiendo una magnitud determinada (tensión, deformación, energía, etc.). Esta magnitud tomará un valor máximo de referencia, el cual limitará las cargas aplicables. El valor máximo se determina mediante un ensayo adecuado (ej. Tracción).

2.9: Teoría de la máxima tensión tangencial. Por qué se utiliza y a que materiales se aplica

Se utiliza en materiales dúctiles y en aquellos estados de tensión en donde se desarrollan tensiones tangenciales relativamente grandes. La falla se produce cuando el Sigma max en algún punto alcanza el valor de la Sigma que produce la tensión de falla en el ensayo de tracción simple.

2.10 Teoría de la máxima energía de distorsión. Por qué se utiliza y a que materiales se aplica

En un estado tensional cualquiera, la falla incurrirá cuando la energía de distorsión acumulada en un punto cualquiera es igual a la energía de distorsión acumulada hasta el punto de fluencia en el ensayo de tracción simple.

Se aplica a materiales que no experimentan deformaciones permanentes

3.1 En el caso de realizar un agujero en una viga, donde es conveniente efectuarlo para reducir el efecto de concentración de tensiones.

Lo realizaría en las proximidades del eje neutro, ya que sobre las fibras exteriores, la tensión por flexión es elevada y en los bordes del agujero podrían producirse tensiones peligrosas mayores a Sigma max.

3.2 Justificar como conviene que esté la fisura, respecto de la dirección del esfuerzo en una pieza fisurada

Conviene que la fisura esté en dirección del esfuerzo por tener el menor valor de Kt=1+2 a/b. En los extremos puede alcanzar valores elevados y la grieta puede propagarse.

3.3 Defina factor de concentración de tensión en función de las tensiones

El factor de concentración de tensión, factor de forma o geométrico Kt, se define como el cociente entre la tensión máxima y la tensión nominal. Kt=Smax/Snom

3.4 En qué órganos de máquinas es más común el uso de Kt

El uso más común del factor geométrico se encuentra en el diseño de árboles y ejes, en los cuales la presencia de gorrones, ranuras, chaveteros, roscas y ajustes prietos obliga a una consideración de la magnitud de los efectos de la concentración de tensiones.

3.5 Describa el efecto de concentración de tensiones en un orificio de forma elíptica practicado en una placa

Kt=1+2 a/b

3.6 En vigas curvas agujeradas, qué consideración se debe tener a efectos de la concentración de tensiones

En vigas curvas en necesario considerar la no coincidencia del eje baricéntrico con el eje neutro.

3.7 Describa el factor Kt en función de las tensiones

Las hipótesis corrientes de la resistencia de materiales suponen distribuciones de tensiones teóricas que en las condiciones reales de equilibrio en general no se cumplen. Son tensiones nominales. Se demostró en ensayos experimentales que los orificios, cambios bruscos de sección, ajustes prietos, etc., producen redistribuciones de tensiones, concentrándolas de tal manera que en algunos puntos adquieren valores muy superiores a los de las tensiones nominales.

Kt= f(Sigma, D,d)

3.8 Como es la forma del grafico donde se obtienen los valores de Kt y qué valores entran en juego

El factor geométrico depende de la configuración geométrica y las dimensiones.

Kt= f(Sigma, D,d)

4.1 De qué factores depende la sensibilidad al entallado

La sensibilidad al entallado depende del material, el tratamiento térmico y del tamaño absoluto de la pieza.

Kt= Factor Geométrico

Kf= Factor concentración de tensiones por fatiga

q= (Kf-1)/(Kt-1)

Se cumple que en aceros de grano grueso (blandos) los valores que son más bajos, y que en aceros de grano fino los valores son más altos.

4.2 Diagrama de Syrson. Concepto y material para el cual fue concebido

Es para aceros tratados térmicamente. Como en los problemas de proyecto no se conocen las dimensiones de antemano, no puede evaluarse "q". Con la dureza y Kt aproximo el valor de Kf.

4.3 Mencione los factores modificativos del límite de fatiga

Los factores modificativos se calculan porque la resistencia a la fatiga de un material puede alterarse.

Sigma wb=tensión límite de flexión rotatoria (tensión capaz de soportar el material un numero de repeticiones 10^6)

4.4 Defina falla o rotura por fatiga

Si la tensión que actúa sobre una pieza es variable, al cabo de cierto número de variaciones, puede sobrevenir la rotura aunque los valores máximos sean menores a la tensión de rotura. Puede considerarse como un cansancio, envejecimiento o fatiga del material que reducirá su resistencia.

4.5 De que factor depende la zona de fractura violenta en el estudio de fatiga

Depende de las condiciones de carga, de la magnitud de las tensiones nominales y del coeficiente de concentración de tensiones.

La fractura se puede iniciar por medio de una fisura que se propaga por fatiga, originada en un defecto puntual local que provoca la concentración de tensiones.

4.6 En que consiste el proceso Tenifer y cómo afecta a la resistencia por fatiga en el ensayo de tensión rotatoria

Este proceso consiste en la nitro carburación superficial por difusión de carbono. Incrementa la resistencia a la fatiga de flexión rotatoria y de rodadura.

4.7 Que efecto generan las tensiones residuales por tratamientos térmicos en la resistencia a la fatiga. Justifique.

Las tensiones residuales por tratamientos térmicos pueden mejorar o empeorar la resistencia a la fatiga. Si la tensión residual en la superficie es de compresión, la resistencia a la fatiga mejora (reduce las tensiones atracción que es la falla más común por fatiga). La razón para que así suceda es que todas las fallas por fatiga son roturas a tracción y cualquier circunstancia que reduzca las tensiones de tracción, reducirá también la posibilidad de rotura por fatiga. Ej.: granallado, martillado o laminado en frío.

4.8 Cuando se usa el factor por tipo de solicitación o carga

La información sobre el límite de fatiga en general se refiere a flexión rotatoria. Para otros tipos de solicitación la información es mucho más escasa, por lo que se suele utilizar Sigma wb y se modifica el factor Cc.

Si es igual a uno es flexión rotatoria
0,8= tracción-compresión alternativa
0,45/0,55=momento torsor.

4.9 El metalizado favorece o reduce el límite de fatiga

Los recubrimientos metálicos como el cromado, niquelado y cadmiado reducen el límite de fatiga hasta un 35 %.

4.10 Describa el aspecto que presenta la rotura por fatiga

Se encuentran dos sectores bien definidos, un sector fino de aspecto aterciopelado en donde se desarrolla y propaga la falla y otro de grano grueso de sección arrancada violentamente.

4.11 Que elementos están involucrados en la fórmula de Peterson

La sensibilidad al entallado depende del material, el tratamiento térmico y del tamaño absoluto de la pieza.

Kf = limite de fatiga sin concentración / lim de fatiga con concentración

Kt= Factor Geométrico

Kf= Factor concentración de tensiones por fatiga

q= (Kf-1)/(Kt-1)

Se cumple que en aceros de grano grueso (blandos) los valores que son más bajos, y que en aceros de grano fino los valores son más altos.

Kf>=Kt

4.12 Describa y grafique los cuatro estados producidos por tensiones variables

Estático: la tensión no varía en el tiempo

Alternativo: varía entre dos valores extremos de diferente signo e igual valor absoluto

Intermitente: varía desde cero a un valor máximo

Variable: la tensión varía entre dos límites extremos

4.13 Como se debe construir el diagrama Sigma=F(N) para una pieza que sufríó los efectos de fatiga acumulada. Método gráfico Manson

Probeta que sufríó durante Na ciclos una tensión alternativas Sigma A. Para una misma tensión la duración posible es Nb. La duración remanente es Nc. El nuevo límite de fatiga está dado por la recta DCF.

4.14 Graficar el diagrama Sigma=F(N) una vez afectado por los factores modificativos

Si se tienen en cuenta los efectos modificativos para una vida infinita la resistencia a la fatiga para una duración intermedia N1 es menos afectada que el límite de resistencia para una vida infinita.

4.15 Como conviene representar la curva Sigma=F(N) a efectos prácticos

A los mil ciclos o menos se considera el problema como estático y se define Sigma W a los un millón de ciclos para el acero como suficientes para definir el límite de fatiga

4.16 Elementos de la fórmula de Sodeberg

Este criterio se aplica al caso de los materiales dúctiles. Tiene en cuenta los factores modificativos del límite de fatiga a flexión rotatoria vistos y principalmente el efecto de la concentración de las tensiones Kf considerándola únicamente en la parte alterna Sigma A de la tensión sin influir sobre la parte estática Sigma M. El punto B define el punto de trabajo con seguridad.

Cs=(tensión máxima de fatiga)/(tensión máxima de trabajo)

4.18 Determinar en forma analítica la ordenada al origen de la recta, conociendo los 4 parámetros fundamentales del diagrama logarítmico que expresa la resistencia a la fatiga del acero. Diagrama Sigma =F(N).

4.19 Explique porque se carga la probeta en el ensayo de flexión rotatoria con dos cargas que la solicitan a la flexión y no con una única carga en su centro.

Al cargar la probeta de ésta forma, el eje de la pieza sólo está sometido a flexión pura, y al hacerla girar estará sometida a tensiones variables. No estará sometida por lo tanto a tensiones de corte (Q)

4.20 Órganos de máquinas en donde es común usar el factor Kt

El diseño de árboles, ejes y levas en las cuales la presencia de gorrones, ranuras, roscas, etc. Obliga a una consideración prolija de la magnitud de sus efectos.

4.21 Enumere las fuentes de obtención de la tensión límite a flexión rotatoria

Se obtiene por:

-Ensayos directos

-Por datos en la bibliografía

-Por datos empíricos.

4.22 En que consiste el proceso Tenifer QPQ y que efectos ocasiona sobre el límite de fatiga

Disminuye la resistencia a la fatiga por ser un proceso de nitro carburación más enfriamiento en baños oxidantes salinos que confieren carácterísticas anticorrosivas.

4.23 Describa los factores modificativos del límite de fatiga

-Ss: por tipo de solicitación o carga a la que estará sometida la pieza (tracción-compresión, torsión alternativa)

-Sd: factores diversos

-Tensiones residuales: por tratamientos térmicos que mejoran o empeoran su resistencia a la fatiga

-Carácterísticas direccionales: laminados, forjados o estirados, disminuyen un 10/20% su resistencia en la dirección transversal con respecto a la longitudinal.

-Defectos internos: evaluar calidad del material

-Cementado: las piezas cementadas pueden fallar en la capa exterior o en el núcleo.

-Corrosión: disminuye la resistencia a la fatiga (se producen crestas y valles)

-Metalizado: el niquelado, cromado y cadmiado reducen el límite a la fatiga

-Cf: por acabado superficial tiene gran influencia sobre la resistencia a la fatiga

-Cl: factor de vida

-Cm: factor de tamaño. A mayor tamaño menor resistencia a la fatiga debido a que habrá más posibilidad de encontrar imperfecciones.

-Cr: factor de confiabilidad. Resulta del análisis estadístico de una población de esfuerzos y resistencias

-Ct: factor de temperatura. A elevadas temperaturas puede haber fluencia, fatiga y corrosión.

4.24 Que es tensión límite a flexión rotatoria ( Sigma Wb)

Es el límite de resistencia a la fatiga

**desarrollar**

4.25 Defina el concepto de fatiga en los metales

Si la tensión que actúa sobre una pieza es variable, al cabo de cierto número de variaciones, puede sobrevenir la rotura aunque los valores máximos sean menores a la tensión de rotura. Puede considerarse como un cansancio, envejecimiento o fatiga del material que reducirá su resistencia.

4.26 Expresión analítica del criterio de Sodeberg

Se construye el diagrama de fatiga para un determinado material con sus carácterísticas de resistencia estática.

Adoptamos un factor de seguridad Cs según la aplicación

De acuerdo al régimen de solicitaciones y estimando Kf se determinará la recta de cargas.

Un punto denominado B define el punto de trabajo con seguridad.

Luego por semejanza de triángulos queda la expresión analítica de Sodeberg para el caso de cargas estáticas donde:

Cs=(Sigma fatiga)/(Sigma Max trabajo)=>Cs=(Sigma b)/(Sigma m) +(Kf*Sigma A*Sigma B/SigmaW*)

5.1 Cuales son las partes principales que se distinguen en los árboles  y ejes

Gorrones: zona de apoyo sobre los cojinetes de los soportes; impiden desplazamiento axial.

Cabezas: reciben órganos de transmisión. Se tornean como los gorrones y se las hacen de diámetro superior para disponer chavetas.

Cuellos: parte ubicada entre el gorrón y la cabeza. Suelen perfilarse.

5.2 Diferencias entre árboles y ejes

Ejes: elementos giratorios o fijos destinados a soportar cargas pero sin transmitir potencia; desempeñan un papel estructural. Se calculan únicamente a la flexión. Transmiten movimiento.

Arboles: son elementos que además de soporte sirven para transmitir los momentos de rotación o potencia.

5.3 Ventajas de perfilar un árbol o eje

Menor cantidad de material --> Menos peso

Cojinetes de diámetro menor --> Menor rozamiento y perdidas de potencia. Como desventaja tiene un mayor costo de maquinado.

5.4 Cómo se pueden generar las fuerzas axiales en árboles o ejes

Peso propio y peso de los órganos apoyados.

Componentes axiales de las fuerzas que se desarrollan en la transmisión con ruedas dentadas o de fricción.

5.5 En qué teoría de falla y tipo de material se sustenta la aplicación de ASME en el dimensionamiento de árboles

Se sustenta en la teoría de la máxima tensión tangencial, la cual responde muy bien por ser materiales dúctiles tales como el acero.

Sigma F / Sigma S = Sigma adm >=SQR(Sigma^2 + 4 Tau^2)

5.6 Por qué se aplica la teoría de falla en el dimensionamiento de árboles y ejes

Porque estarán sometidos a un estado combinado de tensiones.

5.7 Cuales son los tipos posibles de verificación de dimensionamiento por rigidez en arboles flexotorsionados

Rigidez por torsión: impone restricciones a la deformación por torsión.

Rigidez por flexión: se fija una flecha máxima que dependerá del uso al que se destinará la pieza y de los elementos montados sobre ella. Generalmente la exigencia máxima es 0,8mm por metro de luz entre apoyos.

Otro método de cálculo es fijar deformaciones máximas admisibles.

5.8 Explique qué quiere decir que los árboles y ejes estén sometidos a un estado de tensiones combinados

En el caso más general, en árbol se hallara sometido a una solicitación combinada de flexión, torsión y solicitación axial, que en cada sección tendrá valores determinados que pueden deducirse de los diagramas Mf, Mt, Fa.

8.1 Que debe ocurrir para que la relación de transmisión sea constante. Como se llama a aquellos perfiles que cumplen con esta ley.

Para que la relación W2/W1=i se mantenga constante, la perpendicular a los perfiles, en el punto de contacto, debe pasar en todo instante por el punto primitivo. Los perfiles que cumplen con esta ley reciben el nombre de perfiles conjugados.

8.2 Cual es la ventaja de tallar un diente de engranaje siguiendo una envolvente de círculo. Es fácil de tallar

Permiten su tallado con mayor rapidez y precisión.

Resultan insensibles a diferencias en el montaje en lo que respecta a la distancia entre ejes.

Resulta un diente más robusto. Esta carácterística es importante para la transmisión de potencia.

Todas las ruedas de igual paso son armónicas (pueden engranar entre sí).

8.3 Defina paso dentado

Es la distancia medida sobre la circunferencia primitiva entre dos puntos homólogos de dos dientes consecutivos.

Dp=paso*Nro dientes / Pi

8.4 Como se define "modulo" en el sistema métrico o alemán

El modulo puede ser: 1 mm; 1,25 mm; 1,5 mm.

8.5 Defina modulo en el sistema inglés. Exprese algunos valores que puede tomar

El modulo puede ser: 1", 1 1/4", 1 1/2", 1 3/4".

8.6 Determine la formula analítica del radio de acuerdo al sistema modulo

El radio de acuerdo a Ro, puede expresarse de acuerdo a la figura (radio de la curva que une al diente con la corona).

8.7 Nombre los elementos cinemáticos que constituyen el engranaje

Recta de presión, ángulo de presión y línea de engrane

8.8 Defina recta de presión, ángulo de presión y línea de engrane

Recta de presión: es la recta de acción de la fuerza con la que el flanco del diente de la rueda conductora actúa sobre el correspondiente de la rueda conducida. Siempre debe actuar sobre la normal común (i).

Ángulo de presión: es el ángulo que forma la recta de presión con la tangente común a las circunferencias primitivas. Cuanto mayor es el ángulo de presión alfa, mayor es la base del diente **ver**. En los perfiles con envolvente el ángulo es de 20° (según DIN 867).

Línea de engrane: es el lugar geométrico de los puntos en que se verifica el contacto entre los flancos de los dientes.

8.9 Que superficies primitivas conoce y que relación tienen con los distintos tipos de engranajes. Clasificación general.

8.10 Que parte del hiperboloide puede usarse para generar una transición hipoidal

Se utilizan las partes de las superficies alejadas del centro de los hiperboloides

8.11 Que parte del hiperboloide puede usarse para generar una transición helicoidal

Utilizando la parte media de las superficies de los hiperboloides conjugados se obtiene una transición helicoidal.

8.12 Por qué se usa una unidad o modulo para caracterizar el dentado de un engranaje

En la práctica resultan ser mediciones más fáciles las del diámetro primitivo Dp o del exterior que el paso T, por lo que se llegó a adoptar  en la práctica una unidad o modulo como carácterística del dentado, que se estandariza, y en función de la cual se expresan las dimensiones de las ruedas dentadas.

Tal unidad ha sido definida según el país de origen (sistema inglés o alemán) pero siempre partiendo de la relación: N°Dientes*paso= Pi*Dp.

8.13 Ecuación del sistema módulo de engranaje

8.14 Definir juego de cabeza de diente de un engranaje

Sk=W-K

Donde,

K=Altura de cabeza: distancia radial entre la circunferencia de cabeza y la primitiva

W=Altura de raíz: Distancia radial entre la circunferencia primitiva y la raíz.

8.15 Qué es el flanco activo

Es la parte de los dientes que efectivamente tienen contacto con los dientes de la rueda. **ver**

8.16 Defina relación de transmisión

Es el cociente entre las velocidades angulares del elemento conducido y el elemento conductor.

i=w2/w1

8.17 Rendimiento de los reductores tornillos sin fin. Por qué

Tienen muy bajo rendimiento (entre el 60 y 75%) pero son compactos, económicos y fáciles de construir. Son engranajes de ejes alabeados conocidos como tornillo sin fin y corona, que deriva del par de engranajes helicoidales del centro de la superficie hiperboloide.

8.18 Rendimiento de engranajes de ejes paralelos

Son engranajes cilíndricos con dentados rectos o helicoidales. Pueden lograr rendimientos del 99%. Si la fabricación es mala, puede tener rendimiento inferior al 90%.

8.19 Por qué los engranajes helicoidales no pueden transmitir grandes potencias

Las ruedas dentadas son cilíndricas oblicuas. El contacto de los dientes es por puntos, por lo que la potencia transmisible no es grande.

8.20 Ventajas y desventajas de transmisiones helicoidales e hipoidales

Ventajas: Su funcionamiento es silencioso

Desventaja: Coeficiente de rendimiento bajo por deslizamiento a lo largo de los dientes y baja transmisión de potencia.

8.21 Indique el rendimiento y como se utilizan las cajas de engranajes de ejes alabeados

Tienen muy bajo rendimiento (entre el 60 y 75%) pero son compactos, económicos y fáciles de construir.

Se utiliza casi exclusivamente el par de ejes alabeados conocido como tornillo sin fin y corona. Se recomienda el uso para accionamientos secundarios, o principales con baja carga horaria. Son compactos, económicos y fáciles de construir.

8.22 Como se denominan aquellos engranajes cuya posición de sus ejes es alabeada en el espacio

Se denominan "hiperboloides".

8.23 Como se denominan aquellos engranajes cuya posición de sus ejes son paralelos en el espacio

Se denominan "cilíndricos".

8.24 Desarrolle y dibuje que superficies primitivas se generan si los ejes X1 y X2 son concurrentes

Si los ejes son concurrentes, se desarrollan superficies primitivas cónicas.

8.25 Desarrolle y dibuje que superficies primitivas se generan si los ejes X1 y X2 son paralelos

Si los ejes son paralelos, se desarrollan superficies primitivas cilíndricas