ANÁLISIS POR RESISTENCIA.

4.1. ANÁLISIS POR RESISTENCIA.

La resistencia es una propiedad o característica de un elemento mecánico.

Esta propiedad resulta de la identidad del material, del tratamiento y procesamiento incidental para crear su geometría, y de la carga; asimismo, se encuentra en el punto de control crítico. Estos elementos se deben identificar y considerar antes de poder hablar de la resistencia de una parte como una característica útil de valor descriptivo. Las tablas de las propiedades de los materiales de ingeniería no informan sobre las resistencias de las partes. La resistencia de una parte mecánica no depende de que esa parte se someta a su carga proyectada. De hecho, esta propiedad de resistencia es una característica del elemento antes de que se ensamble con otros elementos en una máquina o en un sistema. La resistencia de una parte es un indicador valioso, pero sólo existe si se cumplen todas las calificaciones enumeradas antes.

Además de considerar la resistencia de una parte individual, se debe estar consciente de que las resistencias de las partes producidas en masa, diferirán en cierto grado de las otras del conjunto o ensamble debido a variaciones en las dimensiones, el maquinado, el formado y la composición. Los indicadores de la resistencia son por necesidad de naturaleza estocástica e involucran parámetros estadísticos (a menudo la media y la desviación estándar) y una identificación.

Una carga estática es una fuerza estacionaria o un par de torsión que se aplica a un elemento. Para ser estacionaria, la fuerza o el par de torsión no deben cambiar su magnitud, ni el punto o los puntos de aplicación, ni su dirección. Una carga estática produce tensión o compresión axial, una carga cortante, una carga flexionante, una carga torsional o cualquier combinación de estas. Para que se considere estática, la carga no puede cambiar de ninguna manera.

Consideraremos las relaciones entre la resistencia y la carga estática con objeto de tomar decisiones respecto al material y a su tratamiento, fabricación y geometría para satisfacer los requisitos de funcionalidad, seguridad, confiabilidad, competitividad, facilidad de uso, manufacturabilidad y comercialización. El grado de detalle de esta lista está relacionado con el alcance de los ejemplos.

La “falla” puede significar que una parte se ha separado en dos o más piezas; se ha distorsionado permanentemente, arruinado de esta manera su geometría; se ha degradado su confiabilidad; o se ha comprometido su función, por cualquier razón. Un diseñador cuando habla de falla quizá se refiera a cualquiera o todas estas posibilidades. Nuestra atención se enfocará en la predicción de la distorsión o separación permanente. En situaciones sensibles al esfuerzo el diseñador debe separar el esfuerzo medio y la resistencia media en el punto crítico de manera suficiente para lograr sus propósitos.

Figura 1-. Falla por impacto de la masa de impulsión de la cuchilla de una podadora de césped

Figura 2-. La cuchilla impacta un tubo metálico de marcación de cotas de topografía.

Figura 2-2 Falla de un perno de sujeción de una polea elevada en una máquina de levantamiento de pesas. Un error de fabricación causó una separación que provocó que el perno soportara toda la carga de momento.

Figura 2-3 Falla de una manija interior de la puerta de un automóvil fundida. La falla ocurrió después de un servicio de aproximadamente 72 000 km. Las causas probables fueron el material de electro chapeado, la concentración del esfuerzo, el largo de brazo de palanca requerido para operar el mecanismo de apertura de la puerta “pegado” y las fuerzas de accionamiento elevadas.

RESISTENCIA ESTÁTICA

Idealmente, al diseñar cualquier elemento de máquina el ingeniero debe tener a su disposición los resultados de una gran cantidad de pruebas de resistencia al material elegido. Estos ensayos se deben realizar en probetas que tengan el mismo tratamiento térmico, acabado superficial y tamaño que el elemento que el diseñador se propone diseñar; además, las pruebas se deben conducir exactamente bajo las mismas condiciones de carga a que se someterá la parte en servicio. Esto significa que si la parte se va a someter a carga flexionante, se debe ensayar con una carga flexionante. Si se va a someter a flexión y torsión combinadas, se debe ensayar bajo flexión y torsión combinadas. Si se hace de acero tratado AISI 1040 estirado a 500oC con un acabado esmerilado, las probetas que se ensayen deben ser del mismo material preparado de la misma manera. Esos ensayos proporcionarán información muy útil y precisa. Cuando esos datos están disponibles para propósitos de diseño, el ingeniero puede estar seguro de que está haciendo el mejor trabajo de ingeniería.

El costo de reunir esa gran cantidad de datos antes del diseño se justifica si la falla de la parte puede poner en peligro la vida humana, o si la parte se fabrica en cantidades suficientemente grandes. Ejes para la transmisión de potencia y aparatos electrodomésticos, por ejemplo, tienen grados de confiabilidad muy altos porque las partes se hacen en grandes cantidades, de manera que se pueden ensayar por completo antes de su manufactura. El costo de realización de estos ensayos es muy bajo cuando se divide entre el número total de partes fabricadas.

Ahora se pueden apreciar las cuatro categorías de diseño siguientes:

1. La falla de la parte pondrá en peligro la vida humana, o la parte se hace en cantidades extremadamente grandes; en consecuencia, se justifica un elaborado programa de ensayos durante el diseño.

2. La parte se hace en cantidades muy grandes, que es posible una serie moderada de ensayos.

3. La parte se hace en cantidades tan pequeñas que los ensayos no se justifican de ninguna manera, o el diseño se debe complementar tan rápido que no hay tiempo para los ensayos.

4. La parte ya se ha diseñado, fabricado y ensayado, y se ha determinado que es insatisfactoria. Se requiere un análisis para entender porqué la parte es satisfactoria y lo que se debe hacer para mejorarla.

4.1.1. BAJO CARGAS ESTÁTICAS

El diseño de elementos

...