Diseño de máquinas

El diseño de máquinas es un aspecto en particular dentro del diseño de ingeniería, el diseño de máquinas se ocupa de la creación de la maquinaria para que funcione segura y confiablemente bien.

Maquina: “Aparato formado de unidades interrelacionadas, dispositivo que modifica una fuerza o un movimiento.”

Dentro del funcionamiento de una maquina es muy importante tener claro el concepto de “trabajo útil” ya que en ello casi siempre habrá alguna transferencia de energía. Otros conceptos a tener presentes son “fuerza y movimiento” ya que al convertir la energía de una forma a otra las maquinas crean movimiento y generan fuerza.

Los ingenieros mecánicos están relacionados con la producción y el procesamiento de energía y con el suministro de los medios de producción, las herramientas de transporte y las técnicas de automatización. Las bases de su capacidad y conocimiento son extensas. Entre las bases disciplinarias se encuentran la mecánica de sólidos, de fluidos, la transferencia de masa y momento, los procesos de manufactura y la teoría eléctrica y de la información. El diseño en la ingeniería mecánica involucra todas las áreas que componen esta disciplina.

Los problemas reales se resisten a la especialización. Un simple muñón y cojinete involucran flujo de fluidos, transferencia de calor, fricción, transporte de energía, selección de materiales, tratamientos termo mecánicos, descripciones estadísticas, etc. La construcción debe respetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefacción, ventilación y de acondicionamiento del aire son lo suficientemente especializadas que algunos hablan del diseño de la calefacción, ventilación y del acondicionamiento del aire como si estuvieran separados y fueran distintos del diseño en la ingeniería mecánica. En forma similar, algunas veces el diseño de motores de combustión interna, de turbo-maquinaria y de motores de reacción se consideran entidades discretas. La serie de adjetivos que siguen a la palabra diseño sólo es una ayuda para describir el producto. De manera similar, hay frases como diseño de máquinas, diseño de elementos de máquinas, diseño de componentes de máquinas, diseño de sistemas y diseño de potencia hidráulica. Todas ellas son ejemplos un poco más enfocados del diseño en la ingeniería mecánica. Se basan en las mismas fuentes de conocimiento, se organizan en forma similar y requieren habilidades semejantes.

La complejidad del tema requiere una secuencia en la que las ideas se presentan y se revisan, de esta manera aparecen mejores propuestas o se encuentran detalles que podrían influenciar o comprometer los resultados, así se puede asegurar la óptima resolución.

El diseño es un proceso iterativo con muchas fases interactivas, nunca es suficiente siempre existirá una forma de mejorar el diseño pero es importante entender en que momento el problema se ha resuelto para entender en que momento el diseño es eficiente.

Existen muchos recursos para apoyar al diseñador, entre los que se incluyen muchas fuentes de información y una gran abundancia de herramientas de diseño por computadora. El ingeniero de diseño no sólo necesita desarrollar competencia en su campo, sino que también debe cultivar un fuerte sentido de responsabilidad y ética de trabajo profesional.

Hay funciones que deben realizarse mediante códigos y normas, por la siempre presente economía, por seguridad y por consideraciones de responsabilidad legal del producto. La supervivencia de un componente mecánico está frecuentemente relacionada con el esfuerzo y la resistencia. Los aspectos de incertidumbre siempre han estado presentes en el diseño en la ingeniería y se abordan de manera típica mediante el factor de diseño y el factor de seguridad, ya sea en la forma determinista (absoluta) o en un sentido estadístico. El enfoque estadístico se refiere a la confiabilidad del diseño y necesita buenos datos estadísticos.

En el diseño mecánico existen otras consideraciones que incluyen las dimensiones y las tolerancias, unidades y cálculos.

Nos enfocaremos en 4 partes:

La parte 1, Fundamentos, comienza con la explicación de algunas de las diferencias entre el diseño y el análisis, y presenta diversas nociones y enfoques fundamentales del diseño. Continúa con tres capítulos donde se repasan las propiedades de los materiales, el análisis de esfuerzos y el análisis de la rigidez y de la deflexión..

La parte 2, Prevención de fallas, consta de dos capítulos acerca de la prevención de fallas en partes mecánicas. Por qué fallan las máquinas y cómo pueden diseñarse para prevenir la falla son preguntas difíciles y por lo tanto se requieren dos capítulos para responderlas; uno sobre la prevención de la falla debida a cargas estáticas, y el otro sobre la prevención de la falla por fatiga provocada por cargas cíclicas que varían con el tiempo.

En la parte 3, Diseño de elementos mecánicos, el material de las partes 1 y 2 se aplica al análisis, selección y diseño de elementos mecánicos específicos, como ejes, sujetadores, partes soldadas, resortes, cojinetes de contacto de bolas, cojinetes de película, engranes, bandas, cadenas y cables.

En la parte 4, Herramientas de análisis, se proporcionan introducciones a dos importantes métodos que se utilizan en el diseño mecánico: análisis del elemento finito y análisis estadístico. Éste es material de estudio opcional, pero algunas secciones y ejemplos de las partes 1, 2 y 3 demuestran el uso de estas herramientas.

Dentro de estos 4 puntos principales podemos hacer un desglose del proceso de diseño de la siguiente manera:

  • 1. Identificación de la necesidad
  • 2. Investigación de antecedentes
  • 3. Enunciado del objetivo
  • 4. Especificaciones de la tarea
  • 5. Síntesis
  • 6. Análisis
  • 7. Selección
  • 8. Diseño detallado
  • 9. Prototipos y pruebas
  • 10. Producción
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