Fundamentos de Diseño Mecánico: Principios, Materiales y Sistemas de Transmisión

Fundamentos del Diseño Mecánico

Diagrama de Sólido Libre (DSL)

El diagrama de sólido libre (DSL) es la representación de un cuerpo aislado de su entorno. En él se indican todas las fuerzas, momentos y reacciones que actúan sobre la pieza: cargas aplicadas, peso propio y reacciones de apoyo. Las fuerzas internas no se dibujan porque se cancelan mutuamente. El peso se representa como una fuerza aplicada en el centro de gravedad.

Tipos de apoyo o unión y reacciones típicas:

• Rodillo, balancín o superficie sin fricción: una reacción normal al contacto.
• Cable o cuerda: una reacción de tracción en la dirección del cable.
• Biela: una fuerza axial en la dirección de la biela.
• Pasador o articulación: dos reacciones de fuerza.
• Empotramiento: dos reacciones de fuerza y un momento.

Cargas Estáticas: Tracción, Compresión, Cortante, Flexión y Torsión

Las cargas estáticas producen tensiones normales y tangenciales en los materiales. Los tipos principales son:

• Tracción o compresión: fuerzas que alargan o acortan la pieza.
• Cortante: fuerzas paralelas a la sección transversal.
• Flexión: momentos que curvan la pieza.
• Torsión: momentos que hacen girar el eje sobre su propio eje longitudinal.

La deformación resultante depende tanto del material como de la geometría de la pieza.

Fallo y Factor de Seguridad

Los materiales pueden fallar por deformación excesiva, fractura, desgaste o corrosión. Para evitarlo, se diseña utilizando un factor de seguridad, el cual reduce el riesgo ante incertidumbres asociadas al material, la carga, la fabricación o el modelo de cálculo empleado. Cuanto mayor sea el riesgo o la incertidumbre, mayor debe ser el factor de seguridad adoptado.

Cargas Dinámicas y Fatiga

Cuando las tensiones varían o se repiten muchas veces en el tiempo, puede aparecer el fenómeno de la fatiga, que provoca la rotura del componente a tensiones significativamente menores que las estáticas. Se distingue entre vida finita e vida infinita según el número de ciclos de carga soportados. El límite de fatiga real se obtiene aplicando diversos factores de corrección que consideran el acabado superficial, el tamaño, el tipo de carga, la temperatura, la confiabilidad, las entallas y la concentración de tensiones.

Criterios de Falla

Para determinar si una pieza fallará bajo carga, se comparan las tensiones que actúan en ella con los valores límite obtenidos en los ensayos de tracción. Existen varios criterios de falla según el tipo de material y el estado tensional:

• Rankine (Tensión Principal Máxima): se considera que el material falla cuando la tensión principal más alta supera su resistencia a la tracción. Se utiliza principalmente en materiales frágiles.
• Tresca (Cortante Máximo): se basa en el esfuerzo cortante máximo que actúa en la pieza. Es un criterio más adecuado para materiales dúctiles.
• Von Mises (Energía de Distorsión): considera la energía de deformación asociada al cambio de forma del cuerpo. Es el criterio más preciso y utilizado para materiales dúctiles en general.

Materiales Metálicos y Selección de Materiales

Los metales destacan por su alta resistencia, rigidez, tenacidad, y excelente conductividad eléctrica y térmica. Además, sus propiedades mecánicas pueden mejorarse mediante deformación en frío y tratamientos térmicos. Las familias principales son:

• Férricos: son muy resistentes y económicos, pero pesados y propensos a la corrosión (a excepción de los aceros inoxidables).
• Aluminio: destaca por ser ligero y resistente a la corrosión, aunque presenta propiedades mecánicas más moderadas y un mayor coste de producción.
• Cobre: ofrece una excelente conductividad eléctrica y buena resistencia a la corrosión, pero es denso y costoso.

Las propiedades más relevantes para la selección de materiales incluyen: la densidad, el punto de fusión, la conductividad térmica y eléctrica, la resistencia mecánica, la elasticidad, la plasticidad, la tenacidad y la dureza.

Uniones Soldadas

Las uniones soldadas pueden realizarse mediante procesos por fusión, en estado sólido, soldaduras blandas o soldaduras fuertes. Los procesos más comunes por fusión son el arco eléctrico, MIG/MAG y TIG.

Defectos comunes

En las soldaduras pueden aparecer defectos como poros, grietas, falta de penetración, inclusiones de escoria, socavados y deformaciones, los cuales reducen drásticamente la resistencia de la unión.

Resistencia del cordón

La resistencia de la unión soldada depende directamente del área efectiva del cordón y de las propiedades del material de aporte. El cordón puede fallar por esfuerzo cortante si la tensión aplicada supera la tensión admisible del material.

Uniones Atornilladas

Ventajas

Las uniones atornilladas son desmontables, económicas, fiables y facilitan las tareas de mantenimiento y sustitución de piezas.

Par de apriete

El apriete del tornillo genera una fuerza de pre-carga que mantiene unidas las piezas. Un par de apriete correcto asegura la integridad de la unión sin dañar las roscas ni los componentes acoplados.

Modos de fallo

Los tornillos pueden fallar debido a diversos fenómenos como la fatiga, el cortante, la tracción, el aplastamiento de las superficies de contacto, el aflojamiento o el arrancamiento de los hilos de la rosca.

Potencia y Máquinas

La potencia se define como la capacidad de realizar un trabajo en un intervalo de tiempo determinado. La velocidad angular indica la rapidez de giro de un componente. El rendimiento relaciona la potencia útil de salida con la potencia total de entrada. Por último, la energía cinética rotacional depende directamente del momento de inercia de las masas en movimiento y de su velocidad angular.

Transmisiones por Correas

Relación de velocidades

La relación de transmisión depende de los diámetros de las poleas y permite aumentar o reducir la velocidad de rotación. En las correas que operan sin deslizamiento, la velocidad lineal es idéntica en ambas poleas.

Potencia transmitida

La potencia transmitida depende de la diferencia de tensiones entre los ramales tenso y flojo de la correa, así como de su velocidad lineal.

Efecto de la fricción

La fricción entre la correa y la polea es el principio físico que permite transmitir la fuerza. Esta fricción determina el límite de tensión que la correa puede soportar antes de empezar a patinar.

Tipos de correas

• Correas planas: utilizadas principalmente para distancias entre ejes largas y cargas moderadas.
• Correas en V: se alojan en poleas acanaladas y transmiten una mayor potencia gracias al efecto de cuña.
• Correas dentadas: evitan por completo el deslizamiento, asegurando una relación de transmisión exacta y sincrónica.

Transmisiones por Engranajes

Los engranajes se caracterizan por parámetros fundamentales como su módulo, paso, número de dientes y relación de transmisión. La relación de transmisión depende del número de dientes de cada rueda y define el aumento o reducción de la velocidad angular.

Fuerzas en el engranaje

Durante el funcionamiento de un engranaje, aparecen fuerzas de tipo tangencial, radial y axial que actúan directamente sobre los ejes de transmisión y sus respectivos rodamientos.

Engranajes helicoidales

Son sistemas de transmisión más suaves y silenciosos que los engranajes rectos, pero tienen la particularidad de generar una fuerza axial adicional, además de las fuerzas tangencial y radial.

Tipos de engranajes

Existen diversos tipos de engranajes adaptados a diferentes necesidades, tales como engranajes rectos, helicoidales, cónicos, de tornillo sin fin y de ejes concurrentes. Cada tipo se selecciona según la disposición espacial de los ejes y los requerimientos específicos de la transmisión.

Cargas Estáticas: Tracción, Compresión, Cortante, Flexión y Torsión

Las cargas mecánicas producen tensiones y deformaciones en el interior de los materiales. La tracción y la compresión actúan de forma axial a la pieza. El esfuerzo cortante actúa en planos paralelos a la sección transversal. La flexión genera tensiones normales a lo largo del eje de la pieza, mientras que la torsión produce esfuerzos cortantes en ejes principalmente circulares. El comportamiento final del componente depende tanto de las propiedades del material como de la geometría de su sección transversal.

Rodamientos

Los rodamientos tienen como función principal reducir la fricción entre los ejes giratorios y las piezas de soporte, siendo capaces de soportar cargas radiales, axiales o combinadas. Los tipos principales de rodamientos son: de bolas, de rodillos (cilíndricos, cónicos, esféricos) y de agujas.

Vida nominal

La vida nominal indica el número de revoluciones (o de horas de funcionamiento a una velocidad constante) que alcanza o excede el 90% de un grupo de rodamientos idénticos antes de que se manifiesten los primeros signos de fatiga del material. Esta vida útil depende de la carga dinámica equivalente y del tipo de rodamiento utilizado. Cabe destacar que un sellado y una lubricación adecuados incrementan considerablemente su vida útil.