Fundamentos de Diseño

Aunque por necesidad se debe diseñar una máquina elemento por elemento, es vital reconocer que la función y el desempeño de cada una de las partes (y por lo tanto su diseño) dependen de muchas otras piezas interrelacionadas dentro de la máquina misma. Para ello deberemos hacer uso de un conjunto común de conocimientos tales como la estática, la dinámica, la mecánica de los materiales (análisis de esfuerzos) y las propiedades de los materiales.  

El objetivo último en el diseño de máquinas es dimensionar y formar las piezas (elementos de máquina) y escoger materiales y procesos de manufactura apropiados, de manera que la máquina resultante se comporte o lleve a cabo sin falla su función pretendida. Esto requiere la habilidad de calcular y prever el modo y las condiciones de falla de cada uno de los elementos, y acto seguido diseñarlos para evitar tales condiciones. Esto obliga a que se efectúe un análisis de esfuerzos y deflexión para cada pieza. Dado que los esfuerzos son una función de las cargas aplicadas y de inercia, así como de la geometría de la misma, deberá llevarse a cabo un análisis de fuerzas, momentos, pares de torsión y dinámica del sistema, antes que calcular completamente los esfuerzos y las deflexiones.

Si la “máquina” en cuestión no tiene partes en movimiento, entonces la tarea de diseño se hace mucho más sencilla, ya que sólo es necesario un análisis de fuerzas estáticas. En cambio, si la máquina tiene partes en movimiento entonces está sujeta a cargas dinámicas.

• Si los movimientos de la máquina son muy lentos y las aceleraciones despreciables, entonces bastará un análisis de fuerzas estáticas. 
• Si la máquina incluye aceleraciones significativas, entonces será necesario un análisis de fuerzas dinámicas y las partes sometidas a una aceleración se convierten en “víctimas de su propia masa”.

En una estructura estática, diseñada para soportar un peso en particular, el factor de seguridad de la estructura se incrementa añadiendo material apropiadamente distribuido. Aunque resultará más pesado (más peso “muerto”), si está correctamente diseñado, soportará más peso “vivo” (carga útil) que antes, y todavía sin falla.

En una máquina dinámica, añadir peso (masa) a partes en movimiento pudiera tener el efecto opuesto, con lo que se reduciría el factor de seguridad de la máquina, su velocidad permisible y su capacidad de carga útil. Esto se debe a que parte de la carga que generan los esfuerzos en las partes en movimiento es consecuencia de las fuerzas de inercia previstas por la segunda ley de Newton, F = ma. Dado que la aceleración de las panes en movimiento dentro de la máquina está dictada por su diseño cinemático y por su velocidad de operación, agregar masa en partes en movimiento incrementará las cargas por inercia de estas mismas partes o piezas, a menos de que se reduzcan sus aceleraciones cinemáticas bajando la velocidad de operación. Aunque la masa añadida pudiera aumentar la resistencia de la pieza, dicho beneficio quedaría reducido o cancelado por los incrementos resultantes en fuerzas de inercia.

En las etapas iniciales del diseño de máquinas nos encontramos ante un dilema. Por lo general, antes de llegar a la etapa de dimensionar las piezas ya se habrán definido los movimientos cinemáticos de la máquina y se sabrán cuáles son las fuerzas externas que aporta el “mundo exterior”. En los casos en los cuales las cargas externas sobre la máquina sean muy difíciles de prever, un análisis estadístico, partiendo de datos empíricos obtenidos de pruebas reales suelen proporcionar alguna información para efectos de diseño.
Lo que queda a definir son las fuerzas de inercia generadas por aceleraciones cinemáticas ya conocidas, aquellas que accionan sobre las todavía no definidas masas de las partes en movimiento.

Este dilema se resuelve únicamente por iteración, lo que significa repetir es decir regresar a un estado previo. Se debe asumir alguna configuración de prueba para cada pieza, aplicar las propiedades de la masa (masa, localización del centro de gravedad y momento de inercia) de esta configuración de prueba en un análisis de fuerzas dinámico para determinar fuerzas, momentos y pares de torsión que actúan sobre la pieza, y a continuación aprovechar la geometría de la sección transversal del diseño de prueba para calcular los esfuerzos resultantes.

• En general, la determinación precisa de todas las cargas sobre una máquina es la tarea más difícil del proceso de diseño.

Una vez conocidas las cargas, es posible calcular los esfuerzos. Lo más probable es que en la primera prueba nuestro diseño falle o que los materiales no resistan los niveles de esfuerzo que se presentan. Entonces se volverán a diseñar las piezas (hacer una iteración) cambiando forma, dimensiones, materiales, procesos de manufactura y otros factores, a fin de alcanzar un diseño aceptable. Por lo general no es posible conseguir un resultado de éxito sin tener que efectuar varias iteraciones siguiendo este proceso de diseño. Observe también que un cambio en la masa de la pieza también afectará a fuerzas que se apliquen a piezas interconectadas con ella, y por lo tanto, también ellas necesitarán ser rediseñadas. Debido a que se trata del diseño de partes interrelacionadas.

El proceso de diseño es en esencia un ejercicio de creatividad aplicada, se han definido varios “procesos de diseño” para ayudar a organizar el ataque sobre el “problema no estructurado”, es decir, aquel para el cual la definición del problema es aún vago y para el que hay muchas soluciones posibles.

En la Tabla 1 aparece una versión de diez pasos del proceso de diseño.

 

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

En el (paso 1), identificación de la necesidad, por lo general es un enunciado mal definido y vago del problema.

Es necesaria la información sobre la investigación de antecedentes (paso 2) para definir y comprender cabalmente el problema, después de lo cual es posible volver a enunciar el objetivo (paso 3) de una manera más razonable y realista que el enunciado original del problema.
El (paso 4) requiere la creación de un conjunto detallado de especificaciones de tareas que delimite el problema y marque su alcance. El paso de síntesis (paso 5) se refiere a la búsqueda de muchos procesamientos alternativos de diseños posibles, sin preocuparse, en esta etapa de su valor o calidad. Este paso a veces se conoce como paso de ideas o de invención, en el cual se genera el número mayor posible de soluciones creativas.
En el (paso 6), se analizan las soluciones posibles del paso anterior, y se aceptan, rechazan o modifican. En el (paso 7) se selecciona la solución más prometedora. Una vez seleccionado un diseño aceptable, se realiza un diseño detallado (paso 8) en el cual se atan todos los cabos aún sueltos, se hacen dibujos completos de ingeniería, se identifican proveedores, se definen especificaciones de manufactura, etcétera. La elaboración real de un diseño funcional se hace por primera vez como prototipo en el (paso 9) y, finalmente, la cantidad se trata en producción (paso 10).

En el diseño de máquinas, los primeros pasos del proceso de diseño por lo general implican la síntesis de tipo de configuraciones cinemáticas adecuadas que proporcionen los movimientos necesarios. La síntesis de tipo incluye la elección del tipo de mecanismo más adecuado para el problema. Ésta es una tarea difícil para el estudiante, ya que requiere de experiencia y conocimiento de los diversos tipos de mecanismos existentes que serían factibles desde un punto de vista de desempeño y manufactura. Una vez definido el mecanismo requerido, debe sintetizarse y analizarse su cinemática detallada. Deberán calcularse los movimientos de todas las piezas en movimiento y sus derivadas en el tiempo a través de la aceleración, a fin de determinar las fuerzas dinámicas sobre el sistema. La síntesis y el análisis son las dos “caras” del diseño de máquinas, como las dos caras de una misma moneda. Síntesis significa juntar y análisis significa deshacer, separar, resolver en sus partes constitutivas. Por lo tanto son opuestos, aunque simbióticos. No es posible desarmar “la nada”, por lo que primero tendremos que sintetizar algo a fin de poder analizarlo. Cuando lo analicemos probablemente lo encontraremos defectuoso, requiriendo aún más análisis, y más análisis ad nauseam, iterando finalmente hacia una mejor solución. Para llevar a cabo todo esto será necesario que se apliquen conocimientos sobre estática, dinámica y mecánica de los materiales.

Un procedimiento sugerido para el diseñador aparece en la Tabla 2, que relaciona una serie de subtareas apropiadas para la mayor parte de los problemas de diseño de máquinas de este tipo. Estos pasos deberán quedar documentados con claridad para cada problema, de preferencia en un libro de notas encuadernado, a fin de respetar su orden cronológico.

 

1. Defina el Problema 2. Enuncie los datos Conocidos 3. Efectúe las Hipótesis Adecuadas	Etapa de Definición
4. Decisiones preliminares del diseño 5. Disenar bosquejos	Etapa Preliminar de Diseño
6. Modelos matemáticos 7. Análisis del diseño 8. Evaluación	Etapa de Diseño Detallado
9. Documentar resultados	Etapa de Documentación