diseño de maquinas PDF

Preview

Summary

DISEÑO DE MÁQUINAS Un enfoque integrado Cuarta edición Robert L. Norton PROPIEDADES DE SECCIONES TRANSVERSALES A  área C  ubicación del centroide I x  segundo momento de área con respecto al eje x I y  segundo momento de área con respecto al eje y k x  radio de giro con respecto al eje x k y  ...

Description

DISEÑO DE MÁQUINAS Un enfoque integrado

Cuarta edición

Robert L. Norton

PROPIEDADES DE SECCIONES TRANSVERSALES

A  área I x  segundo momento de área con respecto al eje x

C  ubicación del centroide I y  segundo momento de área con respecto al eje y

k x  radio de giro con respecto al eje x

k y  radio de giro con respecto al eje y

J z  segundo momento polar de área con respecto al eje z pasando por C y

b 2

A  bh

Jz  Ix  Iy 3

h

C

x

h 2

bh 12

Ix 

b 3h 12 Iy

Ix A

ky 

A

PD2 4

Jz 

PD 4 32

Ix 

PD 4 64

Iy 

PD 4 64

kx 

Ix A

ky 

kx 

b

Iy 

A

(a) Rectángulo y

D x

C

Iy A

(b) Círculo y

P 2 D d2 4 P Ix  D4 d 4 64

d





x

C



A

D

Ix A

kx 

P D4 d 4 32 P Iy  D4 d 4 64

Jz 



ky 

 

Iy A

(c) Círculo hueco y

A

b C

x

a

PD2 8

I x  0.109 8 R 4 a  0.424 4 R

R

Ix A

kx 

D

Jz  Ix  Iy P 4 R 8 b  0.575 6 R

Iy 

ky 

Iy A

(d ) Semicírculo sólido y

b 3

h 3

h

x

b

(e) Triángulo rectángulo

A

bh 2

Jz  Ix  Iy

Ix 

bh 3 36

Iy 

kx 

Ix A

ky 

b 3h 36 Iy A



PROPIEDADES DE LA MASA DE FORMAS BÁSICAS

V  volumen

m  masa

I x  segundo momento de masa con respecto al eje x

I y  segundo momento de masa con respecto al eje y

I z  segundo momento de masa con respecto al eje z

k x  radio de giro con respecto al eje x

k y  radio de giro con respecto al eje y

kz  radio de giro con respecto al eje z

a

c

y

b z

Cg  ubicación del centro de masa

V  abc c x Cg @ 2



m a2  b2

Ix 

x

y r

z

Ix m

mr 2 2

z

Ix m

x Cg @ a

l

2 Ix m

kx 

( d ) Cono circular recto y r

V x Cg

(e) Esfera

x

sobre el eje zCg



m 3r 2  l 2



12 Iy m

sobre el eje zCg



m 3a 2  3b 2  l 2



12 Iy m

sobre el eje yCg I y  Iz  k y  kz 

4 3 Pr 3 en el centro

k x  k y  kz 

Iz m

m  V – densidad de masa

Ix m

I x  I y  Iz  z

k y  kz 

3 Ix  mr 2 10

x

m

I y  Iz 

r 2h 3 3h x Cg @ 4

z h



VP r

12

kz 

sobre el eje yCg





m b2  c2

m  V – densidad de masa

l 2

m a2  b2

Ix  kx 

y

Iy

k y  kz 



x

(c) Cilindro hueco

12

I y  Iz 

V  P b2 a2 l b

Iz 

sobre el eje yCg



y



m  V – densidad de masa

kx 

3h 4

ky 



m a2  c2

l x Cg @ 2

x

(b) Cilindro

Iy 

V  Pr 2 l

Ix  l



12

kx 

(a) Prisma rectangular

m  V – densidad de masa b a yCg @ z Cg @ 2 2

sobre el eje zCg



m 12 r 2  3h 2



80 Iy m

m  V – densidad de masa yCg en el centro

2 2 mr 5 Iy m

www.FreeLibros.me

zCg en el centro



DISEÑO DE MÁQUINAS

Un enfoque integrado Cuarta edición

Robert L. Norton

Traducción: Antonio Enríquez Brito Traductor especialista en Ingeniería Mecánica Revisión técnica: Sergio Saldaña Sánchez Ángel Hernández Fernández Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, (ESIME), Zacatenco Instituto Politécnico Nacional Mario Acevedo Alvarado Universidad Panamericana

www.FreeLibros.me

IV

Datos de catalogación bibliográfica

NORTON, ROBERT L. DISEÑO DE MÁQUINAS Un enfoque integrado Cuarta edición Pearson Educación, México, 2011 ISBN: 978-607-32-0589-4 Área: Ingeniería Formato 21 × 27 cm

Páginas: 888

Authorized translation from the English language edition, entitled MACHINE DESIGN, 4th Edition, by Robert Norton, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall © 2011. All rights reserved. ISBN 9780136123705 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada MACHINE DESIGN, 4a Edición, por Robert Norton publicada por Pearson Education Inc., publicada como Prentice Hall Copyright © 2011. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Editor de desarrollo: Supervisor de producción:

Luis Miguel Cruz Castillo e-mail: [email protected] Felipe Hernández Carrasco Rodrigo Romero Villalobos

CUARTA EDICIÓN, 2011 D.R. © 2011 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-0589-4 ISBN VERSIÓN E-BOOK: 978-607-32-0590-0 ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-0591-7 PRIMERA IMPRESIÓN Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 14 13 12 11

Prentice Hall es una marca de

www.pearsoneducacion.net

www.FreeLibros.me

V

ACERCA DEL AUTOR

Robert L. Norton obtuvo las licenciaturas en ingeniería mecánica y tecnología industrial en la Northeastern University, así como una maestría en diseño de ingeniería en la Tufts University. Está registrado como ingeniero profesional en Massachusetts. Tiene amplia experiencia en diseño y manufactura de ingeniería industrial, y muchos años de experiencia como docente de ingeniería mecánica, diseño de ingeniería, ciencias de la computación, y materias afines en la Northeastern University, la Tufts University y el Worcester Polytechnic Institute. Trabajó 10 años en la corporación Polaroid, diseñando cámaras, mecanismos afines y maquinaria automática de alta velocidad. Pasó tres años en Spray Cooler Inc., diseñando maquinaria y productos para el manejo de alimentos. Participó durante cinco años en el desarrollo de un corazón artificial y de dispositivos no invasivos de circulación asistida (sincronía cardiaca) en el Tufts New England Medical Center y en el Boston City Hospital. Desde que dejó la industria para unirse a la academia, continuó como consultor independiente en proyectos de ingeniería que van desde productos médicos desechables hasta maquinaria de producción de alta velocidad. Tiene 13 patentes en Estados Unidos. Desde 1981 Norton ha estado en la facultad del Worcester Polytechnic Institute y actualmente es Profesor Distinguido Milton P. Higgins II de ingeniería mecánica, Instructor Distinguido Rusell P. Searle, jefe del grupo de diseño en ese departamento, y director del Centro de Proyectos Gillette en el Worcester Polytechnic Institute. Da clases en la licenciatura y posgrado de ingeniería mecánica con énfasis en diseño, cinemática, vibraciones, y dinámica de maquinaria. Es autor de diversos artículos técnicos y periodísticos que cubren cinemática, dinámica de maquinaria, diseño de levas y manufactura, computadoras en la educación, y educación en ingeniería, así como de los libros de texto Design of Machinery y Cam Design and Manufacturing Handbook. Es miembro de la junta de gobierno en la American Society of Mechanical Engineers y es integrante de la Society of Automotive Engineers. Pero, como su principal interés es la enseñanza, está más orgulloso del hecho de que, en 2007, fue seleccionado como Profesor del Año en Estados Unidos, por el estado de Massachussetts, por el Council for the Advancement and Support of Education (CASE) y la Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, quienes otorgaron conjuntamente por primera vez el premio nacional de excelencia en la enseñanza que se otorga en Estados Unidos de América.

www.FreeLibros.me

VII

Este libro está dedicado a: Donald N. Zwiep Rector, Jefe de Departamento, y Profesor Emérito Worcester Polytechnic Institute Un caballero y un líder, sin cuya fe y previsión, este libro nunca se habría escrito.

www.FreeLibros.me

Contenido PREFACIO

____________________________________________________

CAPÍTULO 1

DETERMINACIÓN DE CARGAS

XXIII

1

1.0

INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 3

1.1

CLASES DE CARGA ........................................................................................ 3

1.2

DIAGRAMAS DE CUERPO LIBRE ................................................................... 5

1.3

ANÁLISIS DE CARGAS ................................................................................... 6

1.4

Análisis tridimensional

6

Análisis bidimensional

7

Análisis de cargas estáticas

8

ESTUDIOS DE CASO DE CARGA ESTÁTICA BIDIMENSIONAL ...................... 8 Estudio de Caso 1A: Análisis de carga de la palanca de freno manual de una bicicleta

1.5

14

Estudio de Caso 3A: Análisis de carga de un gato de tijera para automóvil

18

ESTUDIO DE CASO DE CARGA ESTÁTICA TRIDIMENSIONAL .................... 23 Estudio de Caso 4A: Análisis de carga del brazo del freno de una bicicleta

1.6

1.8

1.10

28

CARGAS POR VIBRACIÓN .......................................................................... 31 Frecuencia natural

32

Fuerzas dinámicas

34

Estudio de Caso 5B: Medición de la carga dinámica en el mecanismo de cuatro barras

35

CARGAS DE IMPACTO ................................................................................ 36 Método de la energía

1.9

24

ESTUDIO DE CASO DE CARGA DINÁMICA ................................................ 28 Estudio de Caso 5A: Análisis de carga de un mecanismo de cuatro barras

1.7

9

Estudio de Caso 2A: Análisis de carga de una pinza de presión operada manualmente

37

CARGA EN UNA VIGA ................................................................................. 41 Cortante y momento

41

Funciones de singularidad

42

Superposición

52

RESUMEN .................................................................................................... 53 Ecuaciones importantes usadas en este capítulo

54

1.11

REFERENCIAS ............................................................................................... 55

1.12

REFERENCIAS WEB ...................................................................................... 56

1.13

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 56

1.14

PROBLEMAS ................................................................................................ 56

IX

en facebook como libros de ingenieria mecánica

X

DISEÑO DE MÁQUINAS

CAPÍTULO 2

-

Un Enfoque Integrado

ESFUERZO, DEFORMACIÓN UNITARIA Y DEFLEXIÓN

69

2.0

INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 69

2.1

ESFUERZO.................................................................................................... 69

2.2

DEFORMACIÓN UNITARIA ......................................................................... 73

2.3

ESFUERZOS PRINCIPALES ............................................................................ 73

2.4

ESFUERZO PLANO Y DEFORMACIÓN PLANA ............................................ 76 Esfuerzo plano

76

Deformación plana

76

2.5

CÍRCULOS DE MOHR .................................................................................. 76

2.6

ESFUERZOS APLICADOS CONTRA ESFUERZOS PRINCIPALES .................... 81

2.7

TENSIÓN AXIAL ........................................................................................... 82

2.8

ESFUERZO CORTANTE DIRECTO, ESFUERZOS DE CONTACTO Y DESGARRAMIENTO ................................................................................. 83

2.9

Cortante directo

83

Presión de contacto directa

84

Falla por desgarramiento

84

VIGAS Y ESFUERZOS DE FLEXIÓN ............................................................... 84 Vigas con flexión pura Cortante debido a cargas transversales

2.10

DEFLEXIÓN EN VIGAS ................................................................................. 92 Deflexión por funciones de singularidad Vigas estáticamente indeterminadas

2.11

85 88

94 101

MÉTODO DE CASTIGLIANO ..................................................................... 103 Deflexión por el método de Castigliano

105

Determinación de reacciones redundantes con el método de Castigliano

105

2.12

TORSIÓN ................................................................................................... 107

2.13

ESFUERZOS COMBINADOS ...................................................................... 113

2.14

RAZONES DEL RESORTE ............................................................................ 115

2.15

CONCENTRACIÓN DEL ESFUERZO ........................................................... 116

2.16

Concentración de esfuerzo bajo carga estática

117

Concentración de esfuerzos con carga dinámica

118

Determinación de los factores de concentración de esfuerzos geométricos

118

Diseño para eliminar concentraciones de esfuerzos

121

COMPRESIÓN AXIAL: COLUMNAS........................................................... 123 Razón de esbeltez

123

Columnas cortas

123

Columnas largas

123

Condiciones de extremo

125

Columnas intermedias

127

Columnas excéntricas

130

www.FreeLibros.me

CONTENIDO

2.17

2.18

2.19

ESFUERZOS EN CILINDROS ....................................................................... 133 Cilindros de pared gruesa

134

Cilindros de pared delgada

135

ESTUDIOS DE CASO DE ESFUERZO ESTÁTICO Y ANÁLISIS DE DEFLEXIÓN........................................................................ 135 Estudio de Caso 1B: Esfuerzo en la palanca del freno de una bicicleta y análisis de deflexión

136

Estudio de Caso 2B: Análisis de esfuerzo y deflexión de una pinza de presión

139

Estudio de Caso 3B: Análisis de esfuerzos y deflexiones en un gato de tijera para automóvil

144

Estudio de Caso 4B: Análisis de esfuerzo en el brazo del freno de una bicicleta

147

RESUMEN .................................................................................................. 151 Ecuaciones importantes utilizadas en este capítulo

154

2.20

REFERENCIAS ............................................................................................. 157

2.21

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 158

2.22

PROBLEMAS .............................................................................................. 158

CAPÍTULO 3

TEORÍAS DE FALLAS ESTÁTICAS

173

3.0

INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 173

3.1

FALLA DE MATERIALES DÚCTILES BAJO CARGA ESTÁTICA ..................... 175

3.2

3.3

Teoría de Von Mises-Hencky o de energía de distorsión

176

Teoría del esfuerzo cortante máximo

182

Teoría del esfuerzo normal máximo

184

Comparación de datos experimentales con las teorías de fallas

184

FALLA DE MATERIALES FRÁGILES BAJO CARGAS ESTÁTICAS .................. 188 Materiales uniformes y no uniformes

188

La teoría de Coulomb-Mohr

189

La teoría de Mohr modificada

190

MECÁNICA DE LA FRACTURA................................................................... 195 Teoría de la mecánica de fractura

196

Tenacidad a la fractura Kc

199

3.4

USO DE TEORÍAS DE FALLA POR CARGA ESTÁTICA ................................ 203

3.5

ESTUDIOS DE CASO CON ANÁLISIS DE FALLAS ESTÁTICAS .................... 204

3.6

Estudio de Caso 1C: Análisis de falla de la palanca del freno de una bicicleta

204

Estudio de Caso 2C: Análisis de falla de una pinza de presión

207

Estudio de...