El objetivo del diseño de estructuras mecánicas es, partiendo del concepto general de diseño, solidificar el principio de diseño inicial en un esquema detallado que cumpla las funciones requeridas.
El proceso de diseño transforma principios de trabajo abstractos en componentes o piezas específicas, lo que implica determinar el material, la forma, el tamaño, la tolerancia, el método de tratamiento térmico y el tratamiento superficial de los miembros estructurales.
Además, es crucial tener en cuenta su proceso de fabricación, resistencia, rigidez, precisión e interrelación con otros componentes. Aunque el resultado directo del diseño estructural son los dibujos técnicos, la tarea no es tan sencilla como el dibujo mecánico.
Los planos se limitan a expresar el esquema de diseño en lenguaje de ingeniería; la aplicación de diversas técnicas en el diseño de mecanismos para materializar el concepto de diseño es el contenido fundamental del diseño estructural.
La función de una estructura mecánica se consigue principalmente mediante la forma geométrica de sus componentes y la relación de posición relativa entre ellos. La forma geométrica de un componente está constituida por sus superficies.
Normalmente, un componente comprende múltiples superficies, algunas de las cuales entran en contacto directo con las superficies de otros componentes. Estas superficies de contacto se denominan superficies funcionales. Las áreas que conectan estas superficies funcionales se denominan superficies de conexión.
Las superficies funcionales de un componente son cruciales para determinar su función mecánica. El diseño de estas superficies funcionales es el núcleo del diseño estructural del componente.
Los principales parámetros geométricos utilizados para describir las superficies funcionales incluyen su forma geométrica, tamaño, número de superficies, posición, secuencia, etc. Se pueden conseguir varias soluciones estructurales para realizar la misma función técnica mediante diferentes diseños de las superficies funcionales.
En cualquier máquina o sistema mecánico, ningún componente existe aislado.
Por lo tanto, además de estudiar la función y las características relacionadas de cada componente durante el diseño estructural, también es necesario explorar las interrelaciones entre los componentes.
Las interrelaciones entre componentes pueden clasificarse en dos categorías: relaciones directas e indirectas.
Dos piezas con una relación de ensamblaje directa se consideran directamente relacionadas, mientras que las que no la tienen se consideran indirectamente relacionadas. Las relaciones indirectas pueden dividirse a su vez en clases relacionadas con la posición y con el movimiento.
Las relaciones de posición se refieren al requisito de que dos componentes mantengan determinadas disposiciones espaciales.
Por ejemplo, en un reductor de velocidad, el distancia entre centros entre dos ejes de transmisión adyacentes debe mantener una precisión específica, y los dos ejes deben ser paralelos para garantizar el engrane normal de los engranajes.
Las relaciones relacionadas con el movimiento se refieren a la trayectoria de movimiento de un componente asociada a otro. Por ejemplo, la trayectoria de movimiento de un portaherramientas de torno debe ser paralela a la línea central del husillo, lo que está garantizado por el paralelismo entre el raíl de la bancada y el eje del husillo.
Por lo tanto, el husillo y el raíl están relacionados con la posición, mientras que el portaherramientas y el husillo están relacionados con el movimiento.
La mayoría de los componentes tienen dos o más elementos directamente relacionados. Así, cada pieza suele tener dos o más ubicaciones estructuralmente relacionadas con otros componentes.
Durante el diseño estructural, deben considerarse simultáneamente las estructuras de las piezas directamente relacionadas para seleccionar razonablemente los métodos de tratamiento térmico, las formas, los tamaños, la precisión y las superficies de los materiales.
Además, también deben tenerse en cuenta los requisitos de las relaciones indirectas, como la cadena de dimensiones y los cálculos de precisión.
En general, cuantas más piezas directamente relacionadas tenga un componente, más compleja será su estructura. Por el contrario, cuanto mayor sea el número de piezas relacionadas indirectamente, mayor será la precisión requerida.
En el diseño de piezas se pueden elegir varios materiales, cada uno con propiedades únicas. Los distintos materiales corresponden a distintos procesos de fabricación.
El proceso de diseño requiere no sólo seleccionar los materiales adecuados en función de los requisitos funcionales, sino también determinar el proceso de fabricación apropiado en función del tipo de material.
Además, la estructura debe determinarse en función de los requisitos del proceso de fabricación.
Sólo mediante un diseño estructural adecuado puede aprovecharse al máximo el material elegido.
Para que los diseñadores seleccionen correctamente los materiales de las piezas, deben conocer a fondo las propiedades mecánicas, la mecanizabilidad y la rentabilidad de los materiales en cuestión.
En el diseño estructural, deben respetarse distintos principios de diseño en función de las características de los materiales elegidos y sus correspondientes procesos de fabricación.
Los productos mecánicos se utilizan en diversas industrias, y los detalles y requisitos del diseño estructural varían considerablemente.
Sin embargo, los requisitos fundamentales del diseño estructural son universales. A continuación se describen los requisitos para el diseño de estructuras mecánicas en tres niveles distintos.
Se hace un esfuerzo en la materialización de los aspectos técnicos para cumplir los requisitos mecánicos primarios.
Se abordan elementos como la aplicación de los principios de trabajo, la fiabilidad del funcionamiento, los procesos, los materiales y el montaje.
Equilibrar distintas exigencias y limitaciones para mejorar la calidad y la rentabilidad del producto es un ejemplo de diseño de ingeniería moderno.
Entre las áreas específicas se incluyen la operatividad, la estética, la seguridad, el coste y la conservación del medio ambiente. En los diseños contemporáneos, la calidad del diseño tiene una importancia significativa y a menudo dicta la fuerza competitiva.
El enfoque del diseño centrado exclusivamente en satisfacer las funciones técnicas primarias ha quedado obsoleto.
El núcleo del diseño mecánico moderno reside en armonizar diversas demandas, encontrar un equilibrio y realizar las compensaciones apropiadas bajo la premisa de cumplir las funciones primarias para mejorar la calidad del producto.
Las variables de diseño estructural se utilizan sistemáticamente para construir un espacio de diseño optimizado. Se emplean métodos creativos de pensamiento de diseño y otros métodos científicos para la selección y la innovación.
El resultado final del diseño mecánico es expresar en dibujos una forma estructural determinada. El producto final se fabrica de acuerdo con estos diseños mediante procesos de mecanizado y montaje.
Por tanto, el diseño de estructuras mecánicas debe cumplir varios requisitos como producto, entre ellos funcionalidad, fiabilidad, procesabilidad, eficiencia económica y forma estética.
Además, debería mejorar la capacidad de carga de las piezas, aumentando su resistencia, rigidez, precisión y vida útil.
El diseño de estructuras mecánicas es, por tanto, una tarea técnica exhaustiva. Los diseños estructurales poco razonables o erróneos pueden provocar fallos inesperados en los componentes, impedir que las máquinas alcancen la precisión requerida y causar considerables inconvenientes durante el montaje y el mantenimiento.
Los siguientes principios de diseño estructural deben tenerse en cuenta en el proceso de diseño de estructuras mecánicas.
El objetivo principal del diseño de un producto es satisfacer unos requisitos funcionales predeterminados.
Por lo tanto, el principio de diseño de lograr la funcionalidad esperada es la primera consideración en el diseño estructural. Para cumplir estos requisitos funcionales, deben respetarse los siguientes puntos:
(1) Funcionalidad explícita:
El diseño estructural debe determinar los parámetros, dimensiones y forma de la estructura basándose en su función dentro de la máquina y su interconexión con otros componentes.
Las principales funciones de los componentes son soportar cargas, transmitir movimiento y potencia, y garantizar o mantener la posición relativa o la trayectoria de movimiento entre las piezas o componentes relacionados. La estructura diseñada debe cumplir sus requisitos funcionales considerados desde la perspectiva de la máquina en su conjunto.
(2) Asignación funcional:
Durante el diseño del producto, a menudo es necesario delegar razonablemente las tareas en función de circunstancias específicas, es decir, descomponer una función en varias subfunciones.
Cada subfunción debe apoyarse en una estructura definida, y debe existir una conexión razonable y coordinada entre las distintas partes estructurales para lograr la función global.
Los componentes estructurales múltiples que comparten una función pueden aliviar la carga de las piezas individuales, alargando así su vida útil.
Por ejemplo, la estructura de la sección transversal de una correa trapezoidal es un ejemplo de distribución de tareas.
Se utiliza un cordón de fibra para soportar la tensión; una capa de relleno de caucho absorbe el estiramiento y la compresión durante la flexión de la correa; una capa de tejido interactúa con la ranura de la polea para generar la fricción necesaria para la transmisión.
Otro ejemplo es cuando se confía únicamente en la fricción generada por el preapriete de los pernos para soportar las cargas laterales, lo que puede dar lugar a pernos sobredimensionados. Este problema puede resolverse añadiendo componentes resistentes al cizallamiento, como pasadores, manguitos y chavetas, para compartir la carga lateral.
(3) Concentración funcional: Para simplificar la estructura de los productos mecánicos, reducir los costes de fabricación y facilitar la instalación, a una sola pieza o componente se le pueden asignar múltiples funciones en algunas circunstancias.
Aunque la concentración funcional puede hacer que la forma de las piezas sea más compleja, debe moderarse para evitar que aumente la dificultad de mecanizado y se incrementen inadvertidamente los costes de fabricación. El diseño debe determinarse en función de la situación específica.
(1) Criterio de igual resistencia:
Los cambios en las dimensiones transversales de las piezas deben adaptarse a los cambios en tensión internapara que la fuerza de cada sección sea igual.
La estructura diseñada según el principio de igual resistencia puede aprovechar al máximo los materiales, reduciendo así el peso y el coste. Diseño de ménsulas en voladizo, ejes escalonados, etc.
(2) Estructura de flujo de fuerzas razonable:
Para demostrar visualmente cómo se transmite la fuerza en los componentes mecánicos, se considera que la fuerza fluye como el agua en el componente, y estas líneas de fuerza convergen en flujo de fuerza.
El flujo de esta fuerza desempeña un papel importante en las consideraciones de diseño estructural. El flujo de fuerza en el componente no se interrumpirá, y ninguna línea de fuerza desaparecerá de repente. Debe transmitirse de un lugar a otro.
Otra característica del flujo de fuerza es que tiende a propagarse a lo largo de la ruta más corta, lo que da lugar a un flujo de fuerza denso cerca de la ruta más corta y forma una zona de alta tensión.
El flujo de fuerzas en otras partes es escaso, e incluso no hay flujo de fuerzas de paso. Desde el punto de vista de la tensión, el material no se utiliza plenamente.
Por lo tanto, para mejorar la rigidez del componente, la forma del mismo se diseña de acuerdo con la trayectoria de flujo de fuerza más corta posible, reduciendo el área de soporte de carga y, por lo tanto, reduciendo la deformación acumulada, aumentando la rigidez de todo el componente y aprovechando al máximo el material.
(3) Minimizar la concentración de tensiones en las estructuras:
Cuando la dirección del flujo de fuerza cambia bruscamente, la fuerza se concentra en exceso en el giro, lo que provoca una concentración de tensiones.
Deben aplicarse medidas en el diseño para garantizar un cambio gradual en la dirección de la fuerza. La concentración de esfuerzos es un factor importante que afecta a la resistencia a la fatiga de componentes.
En el diseño estructural, hay que esforzarse por evitar o minimizar la concentración de tensiones, por ejemplo aumentando los radios de transición, adoptando estructuras de alivio de tensiones, etc.
(4) Establecer estructuras de carga equilibrada:
En funcionamiento de la máquinaA menudo se generan fuerzas innecesarias, como las fuerzas de inercia y las fuerzas axiales de los engranajes helicoidales.
Estas fuerzas no sólo aumentan la carga sobre piezas como ejes y rodamientos, reduciendo su precisión y vida útil, sino que también disminuyen la eficacia de transmisión de la máquina. El equilibrado de cargas se refiere a medidas estructurales que equilibran parcial o totalmente estas fuerzas innecesarias para mitigar o eliminar sus efectos adversos.
Estas medidas estructurales implican principalmente el uso de componentes equilibrados y una disposición simétrica.
Para que los componentes funcionen con normalidad durante toda su vida útil, es esencial dotarlos de la rigidez suficiente.
El objetivo principal del diseño estructural de componentes mecánicos es garantizar la funcionalidad, permitiendo que el producto cumpla las prestaciones requeridas. Sin embargo, la racionalidad del diseño afecta directamente al coste de producción y a la calidad de los componentes.
Por lo tanto, es crucial en el diseño estructural esforzarse por conseguir una buena fabricabilidad de los mecanismos de los componentes. Una buena fabricabilidad significa que la estructura del componente es fácil de fabricar.
Cada método de fabricación tiene sus limitaciones, que pueden traducirse en costes de producción elevados o en una calidad comprometida.
Por lo tanto, es importante que los diseñadores conozcan las características de los distintos métodos de fabricación para aprovechar al máximo sus puntos fuertes y minimizar sus puntos débiles durante el diseño.
En la producción real, la fabricabilidad de las estructuras de los componentes se ve limitada por numerosos factores. Por ejemplo, el tamaño del lote de producción puede afectar al método de creación de las piezas en bruto; las condiciones del equipo de producción pueden limitar el tamaño de las piezas.
Además, factores como el moldeo, la precisión, el tratamiento térmico, el coste, etc., podrían restringir potencialmente la fabricabilidad de la estructura del componente.
Por lo tanto, estos factores deben tenerse muy en cuenta en el diseño estructural por su impacto en la fabricabilidad.
El ensamblaje es un paso crucial en el proceso de fabricación del producto, y la estructura de los componentes influye directamente en la calidad y el coste del ensamblaje. A continuación se describen brevemente las directrices de diseño estructural para el montaje:
(1) División racional de las unidades de montaje:
La máquina completa debe diseccionarse en varias unidades (piezas o componentes) ensambladas de forma independiente para lograr operaciones de montaje paralelas y especializadas, acortar los ciclos de montaje y facilitar las inspecciones técnicas y las reparaciones paso a paso.
(2) Asegúrese de la correcta instalación de los componentes:
Esto incluye el posicionamiento preciso de las piezas, evitando el doble acoplamiento y previniendo errores de montaje.
(3) Facilitar el montaje y desmontaje de los componentes:
El diseño estructural debe garantizar un espacio de montaje suficiente, como el espacio para las llaves; evitar los acoplamientos demasiado largos para evitar que aumenten las dificultades de montaje y los posibles daños en las superficies de acoplamiento, como se observa en algunos diseños de ejes escalonados; para facilitar el desmontaje de las piezas, deben preverse posiciones para colocar las herramientas de desmontaje, como en el caso de la extracción de los rodamientos.
(1) La configuración de un producto debe organizarse en función de factores como su tasa de fallos, complejidad de reparación, tamaño, peso y características de instalación.
Todas las piezas que requieran mantenimiento deben ser fácilmente accesibles. Los componentes con alto índice de fallos y los interruptores de emergencia que requieren un mantenimiento frecuente deben contar con una accesibilidad óptima.
(2) Los productos, en particular las piezas consumibles, los componentes que se desmontan con frecuencia y los equipos adicionales, deben ser fáciles de montar y desmontar.
Lo ideal es que el recorrido de entrada y salida de las piezas durante el desmontaje y el montaje sea una línea recta o una curva suave.
(3) Los puntos de mantenimiento del producto, como los puntos de inspección y los puntos de prueba, deben estar situados en lugares de fácil acceso.
(4) Los productos que requieran mantenimiento y desmontaje deben disponer de un espacio operativo adecuado a su alrededor.
(5) Durante el mantenimiento, los operarios deben poder ver en general las operaciones internas. Además de acomodar la mano o el brazo del personal de mantenimiento, el paso también debe dejar un hueco adecuado para la observación.
El diseño de un producto no sólo debe satisfacer sus necesidades funcionales, sino también tener en cuenta su valor estético, haciéndolo atractivo para los usuarios. En pocas palabras, un producto debe ser a la vez útil y atractivo. Psicológicamente, 60% de las decisiones humanas se basan en las primeras impresiones.
Dado que los productos técnicos son mercancías en un mercado de compradores, diseñar un exterior atractivo es un requisito de diseño crucial. Además, los productos estéticamente agradables pueden ayudar a los operarios a reducir los errores causados por la fatiga.
La estética del diseño abarca tres aspectos: forma, color y tratamiento superficial.
Al considerar la forma, hay que prestar atención a las proporciones armoniosas, las formas sencillas y unificadas, y el realce y embellecimiento que aportan los colores y los motivos.
El monocromo sólo es adecuado para componentes pequeños. Las piezas grandes, sobre todo las móviles, parecerán monótonas y planas si sólo se utiliza un color. Una pequeña adición de un color que contraste puede animar el conjunto.
En situaciones multicolor, debe haber un color base dominante, con el color correspondiente conocido como color de contraste.
Sin embargo, el número de colores diferentes en un mismo producto no debe ser excesivo, ya que demasiados colores pueden dar una impresión de superficialidad.
Los colores confortables suelen situarse en la gama que va del amarillo claro y el amarillo verdoso al marrón. Esta tendencia se inclina hacia los colores más cálidos, ya que el amarillo y el verde brillantes suelen parecer incómodos; los tonos grises fuertes pueden parecer opresivos.
Los colores cálidos, como el amarillo, el amarillo anaranjado y el rojo, deben utilizarse en entornos fríos, mientras que los colores fríos, como el azul claro, deben emplearse en entornos cálidos.
Todos los colores deben ser apagados. Además, una configuración cromática específica puede hacer que el producto parezca seguro y resistente.
Las zonas con cambios de forma mínimos y superficies más grandes deben configurarse en colores claros, mientras que los componentes con contornos móviles y activos deben configurarse en colores oscuros. Los colores oscuros deben colocarse en la parte inferior de la maquinaria, y los claros en la parte superior.
El diseño debe simplificar tanto el producto como las tareas de mantenimiento:
(1) Durante el diseño, debe realizarse un análisis coste-beneficio de las funcionalidades del producto.
Fusione funcionalidades similares o idénticas, elimine las innecesarias para simplificar tanto el producto como las tareas de mantenimiento.
(2) El diseño debe aspirar a la simplicidad en la estructura, cumpliendo al mismo tiempo los requisitos funcionales especificados.
Hay que minimizar el número de capas jerárquicas y componentes, y simplificar al máximo la forma de las piezas.
(3) Los productos deben diseñarse con mecanismos de ajuste fáciles de usar pero fiables para solucionar problemas comunes causados por el desgaste o la desviación.
En el caso de piezas caras y propensas al desgaste localizado, diséñelas como conjuntos ajustables o desmontables para facilitar su sustitución parcial o reparación. Evite o minimice la necesidad de ajustes iterativos debidos a piezas interconectadas.
(4) Los componentes deben estar dispuestos de forma lógica para reducir el número de conectores y accesorios, haciendo que la inspección, la sustitución de piezas y otras tareas de mantenimiento sean más sencillas y cómodas.
En la medida de lo posible, el diseño debe permitir la reparación de cualquier componente sin necesidad de desmontar, mover o mínimamente desmontar o mover otras piezas. Este planteamiento reduce el nivel de cualificación y la carga de trabajo requeridos del personal de mantenimiento.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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