Optimización y Resistencia en el Diseño de Componentes Mecánicos

Diseño y Optimización de Componentes Mecánicos Clave

Consideraciones en el Diseño de Ejes y Árboles

En el diseño de ejes y árboles, especialmente para longitudes excesivamente grandes, se opta por secciones anulares. Este diseño resulta en un peso un 20% menor que los macizos, con una pérdida de solo el 6% de resistencia mecánica.

Concentración de Tensiones en Ejes

La concentración de tensiones se refiere a los resaltos que sirven de apoyo a los cojinetes. En estos elementos, las concentraciones de tensiones pueden llegar a ser determinantes en su proyecto. Por ello, se ha definido el factor teórico o factor geométrico de concentración de tensiones, un concepto crucial para la integridad estructural.

Rigidez del Eje: Torsión y Flexión

La rigidez del eje, tanto a torsión como a flexión, debe asegurar el correcto funcionamiento de los elementos que van montados sobre él. Para ello, es fundamental atender a las especificaciones técnicas de los catálogos comerciales de dichos componentes, garantizando la compatibilidad y el rendimiento adecuado.

Fatiga y Fallos en Árboles

Los árboles operan bajo un amplio rango de condiciones de servicio, incluyendo ambientes corrosivos y altas temperaturas. La fatiga es la causa más común de grietas o incluso la rotura de los árboles. Esta puede presentarse a partir de imperfecciones metalúrgicas o de diseño, subrayando la importancia de un control de calidad riguroso y un diseño robusto.

Diseño de Roscas: Resistencia y Dimensionamiento

Al diseñar una rosca, se debe considerar la resistencia y el tamaño. Por lo que el diseñador debe conocer el diámetro mayor básico, el paso de las roscas y el área disponible para resistir las cargas de tensión.

Es importante observar que el paso es igual a 1/n, donde 'n' es el número de roscas por pulgada en el sistema estándar americano. En el Sistema Internacional (SI), el paso indica directamente el área de resistencia a la tensión, información que se encuentra en tablas (ej. 18-4, 18-5) y que ya considera un plano transversal.

Debido a la trayectoria helicoidal de la rosca, su plano pasará cerca de la raíz de un lado, pero pasará cerca del diámetro de ecuación para el área de esfuerzo de tensión. Para las roscas estándar americanas y métricas gruesas, se consideran las siguientes dimensiones clave:

• Diámetro mayor básico (mm)
• Paso (mm)
• Área de esfuerzo de tensión (mm²)

Carga de Sujeción en Tornillos y Pernos

Cuando un tornillo o un perno se usan para sujetar dos partes, la fuerza entre las piezas es la carga de sujeción. El diseñador es responsable de especificar esta carga y de asegurar que el sujetador sea capaz de resistirla.

La carga máxima de sujeción se suele tomar como 0.75 veces la carga de prueba, donde la carga de prueba es el producto del esfuerzo de prueba por el área de esfuerzo de tensión del tornillo o perno. Este cálculo es fundamental para garantizar la seguridad y durabilidad de las uniones atornilladas.