Introducción al proyecto y diseño de máquinas

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El diseño y proyecto de máquinas es una de las principales funciones de un ingeniero mecánico. Todo el mundo sabe lo que es una máquina, pero el proceso que conlleva su diseño no es tan evidente. Dicho esto, muchos de vosotros os podéis preguntar: ¿Qué consideraciones debo tener en cuenta para su diseño? ¿Qué códigos y normas existen? ¿Cúales son las fases y el proceso general del diseño? ¿De qué consta el documento del proyecto de una máquina? En esta entrada se resolverán todas estas dudas, siendo de interés, no sólo para los ingenieros, sino también para aquellos que sientan curiosidad en conocer las consideraciones previas y fases de diseño de una máquina.

Una máquina es un conjunto de mecanismos y sistemas capaces de desarrollar trabajo y cubrir una necesidad práctica. A este conjunto de mecanismos y sistemas que la conforman se les denomina elementos de máquina (E.M.). Las máquinas las podemos dividir en:

  • Máquinas motrices: Transforman la energía de las fuentes naturales en energía mecánica. Ejemplos de este tipo serían una máquina de vapor, un motor de combustión interna, etc
  • Máquinas operadoras: Reciben la energía de una máquina motriz y la emplean para efectuar un trabajo determinado. Una máquina herramienta que recibe la energía de un motor eléctrico para realizar cualquier mecanizado sería un ejemplo de este tipo.

La ingeniería mecánica se ocupa del diseño y construcción de máquinas y mecanismos, para lo cual se deberán tener en cuenta diversas consideraciones de diseño:

consideraciones

Además, debemos seguir una serie de códigos y normas:

  • Normas españolas (UNE)
  • Reglamentos oficiales, específicos para un determinado tipo de máquina
  • Ordenanzas y disposiciones municipales
  • International Standards Organization (ISO)
  • American Gear Manufacturers Association (AGMA)
  • American Iron and Steel Institute (AISI)
  • American Society of Mechanical Engineers (ASME)
  • American Society of Testing and Materials (ASTM)
  • Society of Automotive Engineers (SAE)
  • etc

Sabemos lo que es una máquina, las consideraciones a tener en cuenta en su diseño y normativas a emplear, pero, ¿qué nos lleva a diseñar una máquina?

El diseño de una máquina parte de una necesidad específica. Mediante una serie de conocimientos multidisciplinares (dibujo industrial, resistencia de materiales, mecánica y teoría de mecanismos…), se proyectará la máquina que debe satisfacer dicha necesidad del usuario. Las etapas del diseño son la siguientes:

                                                                       etapas

  1. Especificaciones de diseño: Selección y cuantificación  de las especificaciones de diseño, basándonos en la necesidad que debemos cubrir.
  2. Síntesis estructural: Definición del tipo de mecanismos y subsistemas que se deben componer
  3. Síntesis cinemática: Definición de las dimensiones de los miembros de la cadena cinemática, de manera que se cumplan los requisitos de movilidad necesarios (velocidad, trayectoria…)
  4. Diseño y cálculo de componentes: Diseño y cálculo de cada componente por separado, teniendo en cuenta los principios y métodos de la resistencia de materiales (estudiados en ciencia de materiales)
  5. Sistema de lubricación: Definición del sistema de lubricación, calculado desde el punto de vista mecánico, hidráulico y termodinámico
  6. Sistema de regulación, control y mantenimiento: Definicion del sistema de regulación, control y mantenimiento de la máquina, permitiendo conocer su estado en cada momento (condiciones de seguridad)
  7. Síntesis final de la máquina: Ensamblaje de los distintos subsistemas, definición de sus posiciones relativas, modos de fijación, etc

También es importante considerar los aspectos relativos a la fabricación de la máquina, como son los materiales disponibles, procesos y equipos de fabricación, los aspectos económicos y de mercado. Estos aspectos, que muchas veces no se consideran, son muy importantes. Como sucede en muchos casos, la teoría puede ser diferente a la práctica. Para entendernos, no nos sirve de mucho diseñar una máquina perfectamente calculada que después va a ser imposible fabricar.

Como hemos visto, una máquina consta de diversos elementos de máquina, por lo que el diseño correcto de cada elemento es vital para el buen funcionamiento de la máquina. Con diseño correcto nos referimos a aquel que consigue unas dimensiones adecuadas, de manera que no falle durante la vida útil prevista:

  • El diseño y cálculo requiere el conocimiento previo de las acciones que actúan sobre él
  • Debemos idealizar el elemento a calcular y sustituirlo por un modelo matemático para poder calcular las características resistentes del material y las dimensiones mínimas del elemento para que no falle
  • Definir el concepto de fallo y asumir los valores máximos que no se pueden sobrepasar
  • Tener en cuenta restricciones de mínimo peso, mínimo coste…para lo que necesitamos emplear técnicas de optimización

El diseño de máquinas exige del proyectista:

  • Conocer las características del material empleado en la construcción del EM
  • Conocer los criterios de fallo del EM
  • Formular las ecuaciones de diseño correctas sobre el modelo
  • Determinar el coeficiente de seguridad, de forma que no se produzca el fallo por sobrepasar los valores límites

El proyecto de una máquina consta de:

  • Antecedentes. Justificación de la necesidad de diseñar una máquina
  • Memoria descriptiva
    • Especificaciones para el diseño
    • Descripción de la máquina previa en caso de rediseño
    • Descripción de los componentes de la máquina
    • Descripción de los métodos de cálculo utilizados
    • Etapas del diseño y cálculo
    • Niveles de esfuerzos
    • Criterios de fallo (coeficientes de seguridad, vida útil)
    • Soluciones adoptadas (material y dimensiones)
  • Memoria de cálculo
    • Análisis estático, cinemático y dinámico
    • Diseño y cálculo de componentes
    • Diseño y cálculo del sistema de lubricación
    • Diseño y cálculo del sistema de accionamiento y regulación
    • Síntesis de resultados
  • Planos
    • Planos de cada mecanismo o elemento
    • Planos de ensamblaje de mecanismos y elementos
    • Planos de fabricación
    • Planos de funcionamiento
  • Pliego de condiciones
    • Normativa técnica de aplicación
    • Condiciones de materiales y equipos
    • Condiciones de montaje y fabricación
    • Condiciones de mantenimiento
    • Condiciones de seguridad
    • Condiciones económicas
  • Presupuesto
    • Costes de material
    • Costes de montaje
    • Costes de fabricación, ensayo, equilibrado
    • Costes de mantenimiento
    • Otros costes
    • Mediciones
    • Presupuesto general
  • Bibliografía
  • Anexos

Bibliografía:

Apuntes de diseño de máquinas. Escuela de Ingeniería Minera e Industrial de Almadén

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