El objetivo del diseño de estructuras mecánicas es, basándose en el concepto de diseño general, solidificar el principio de diseño inicial en un esquema detallado que cumpla con 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 considerar su proceso de fabricación, resistencia, rigidez, precisión e interrelaciones con otros componentes. Aunque el resultado directo del diseño estructural son los dibujos técnicos, la tarea no es tan simple como el diseño mecánico.
Los planos sólo expresan el esquema de diseño en lenguaje de ingeniería; Aplicar diversas técnicas en el diseño de mecanismos para materializar el concepto de diseño es el contenido fundamental del diseño estructural.
1. Métodos de diseño de elementos estructurales y componentes mecánicos
1.1 Elementos geométricos de componentes
La función de una estructura mecánica se logra principalmente a través de la forma geométrica de sus componentes y la relación posicional relativa entre ellos. La forma geométrica de un componente está formada 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 está en el centro del diseño estructural de los componentes.
Los principales parámetros geométricos utilizados para describir superficies funcionales incluyen su forma geométrica, tamaño, número de superficies, posición, secuencia, etc. Se pueden lograr varias soluciones estructurales para realizar la misma función técnica mediante diferentes diseños de las superficies funcionales.
1.2 Interrelación entre Componentes
En cualquier máquina o sistema mecánico, ningún componente existe de forma aislada.
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 se pueden clasificar en dos categorías: relaciones directas e indirectas.
Dos partes con una relación de ensamblaje directa se consideran directamente relacionadas, mientras que aquellas sin relación se consideran indirectamente relacionadas. Las relaciones indirectas se pueden dividir en clases posicionales y relacionadas con el movimiento.
Las relaciones posicionales se refieren a la necesidad de que dos componentes mantengan ciertas disposiciones espaciales.
Por ejemplo, en un reductor de velocidad, la distancia central entre dos ejes de transmisión adyacentes debe mantener una precisión específica y los dos ejes de los ejes deben ser paralelos para garantizar el enganche normal de los engranajes.
Las relaciones relacionadas con el movimiento se refieren a la trayectoria de movimiento de un componente asociado con 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 carril base y el eje del husillo.
Por tanto, el husillo y el carril 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 componentes directamente relacionados. Por lo tanto, cada parte generalmente tiene dos o más ubicaciones que están relacionadas estructuralmente con otros componentes.
Durante el diseño estructural, las estructuras de las partes directamente relacionadas deben considerarse simultáneamente para seleccionar razonablemente los métodos de tratamiento térmico, las formas, los tamaños, la precisión y las superficies de los materiales.
Además, también se deben considerar los requisitos para relaciones indirectas, como la cadena de dimensiones y los cálculos de precisión.
Generalmente, cuanto más directamente relacionadas estén las partes de un componente, más compleja se vuelve su estructura. Por otro lado, cuanto mayor sea el número de piezas indirectamente relacionadas, mayor será la precisión requerida.
1.3 Selección de materiales en diseño estructural
Se pueden elegir varios materiales en el diseño de la pieza, cada uno con propiedades únicas. Diferentes materiales corresponden a diferentes procesos de fabricación.
El proceso de diseño requiere no sólo la selección de materiales apropiados en función de los requisitos funcionales, sino también la determinación del proceso de fabricación adecuado en función del tipo de material.
Además, la estructura debe determinarse según los requisitos del proceso de fabricación.
Sólo mediante un adecuado diseño estructural se podrá aprovechar al máximo el material elegido.
Para que los diseñadores seleccionen correctamente los materiales para las piezas, deben comprender completamente las propiedades mecánicas, la maquinabilidad y la rentabilidad de los materiales relevantes.
En el diseño estructural se deben seguir diferentes principios de diseño en función de las características de los materiales elegidos y los correspondientes procesos de fabricación.
2. Requisitos fundamentales para el diseño de estructuras mecánicas
Los productos mecánicos se utilizan en una variedad de industrias, y los detalles y requisitos del diseño estructural varían significativamente.
Sin embargo, los requisitos fundamentales para el diseño estructural son universales. A continuación describimos los requisitos para el diseño de estructuras mecánicas en tres niveles distintos.
2.1 Diseño funcional
Se pone esfuerzo en materializar los aspectos técnicos para cumplir con los requisitos mecánicos primarios.
Se cubren elementos como la implementación de principios de trabajo, confiabilidad de operación, procesos, materiales y ensamblaje.
2.2 Proyecto de Calidad
Equilibrar diversas demandas y limitaciones para mejorar la calidad del producto y la rentabilidad es un ejemplo del diseño de ingeniería moderno.
Las áreas específicas incluyen operatividad, estética, seguridad, costo y conservación del medio ambiente. En los diseños contemporáneos, el diseño de calidad tiene una importancia significativa y, a menudo, dicta la fuerza competitiva.
El enfoque de diseño centrado exclusivamente en satisfacer funciones técnicas primarias ha quedado obsoleto.
El núcleo del diseño mecánico moderno radica en armonizar diversas demandas, establecer un equilibrio y realizar compensaciones apropiadas bajo la premisa de cumplir funciones primarias para mejorar la calidad del producto.
2.3 Diseño optimizado y diseño innovador
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.
3. Principios fundamentales de diseño de estructuras mecánicas
El resultado final del diseño mecánico es expresar una forma estructural determinada en dibujos. El producto final se fabrica según estos diseños mediante procesos de mecanizado y montaje.
Por lo tanto, el diseño de estructuras mecánicas debe cumplir varios requisitos como producto, incluyendo funcionalidad, confiabilidad, procesabilidad, eficiencia económica y forma estética.
Además, debe mejorar la capacidad de carga de las piezas, aumentando su resistencia, rigidez, precisión y vida útil.
El diseño de estructuras mecánicas, por tanto, es una tarea técnica integral. Los diseños estructurales irracionales o erróneos pueden provocar fallas inesperadas en los componentes, impedir que las máquinas alcancen la precisión requerida y causar inconvenientes considerables durante el montaje y el mantenimiento.
Los siguientes principios de diseño estructural deben considerarse en el proceso de diseño de estructuras mecánicas.
3.1 Principios de diseño para lograr la funcionalidad esperada
El principal objetivo del diseño de un producto es cumplir requisitos funcionales predeterminados.
Por lo tanto, el principio de diseño para lograr la funcionalidad esperada es la primera consideración en el diseño estructural. Para cumplir con estos requisitos funcionales, se deben respetar los siguientes puntos:
(1) Funcionalidad explícita:
El diseño estructural debe determinar los parámetros, dimensiones y forma de la estructura en función de su función dentro de la máquina y su interconexión con otros componentes.
Las funciones principales de los componentes incluyen soportar cargas, transmitir movimiento y potencia, y asegurar o mantener la posición relativa o la trayectoria de movimiento entre partes o componentes relacionados. La estructura diseñada debe cumplir con sus requisitos funcionales considerados desde la perspectiva de la máquina en su conjunto.
(2) Asignación Funcional:
Durante el diseño de un producto, a menudo es necesario delegar tareas de manera razonable en función de circunstancias específicas, es decir, descomponer una función en varias subfunciones.
Cada subfunción debe estar respaldada por una estructura definida y debe existir un vínculo razonable y coordinado entre las diferentes partes estructurales para lograr la función general.
Varios componentes estructurales que comparten una función pueden aliviar la carga sobre piezas individuales, extendiendo así su vida útil.
Por ejemplo, la estructura de una sección transversal de una correa trapezoidal es un ejemplo de distribución de tareas.
Se utiliza un hilo de fibra para transportar la tensión; una capa de acolchado de caucho absorbe el estiramiento y la compresión durante la flexión de la correa; una capa de tela interactúa con la ranura de la polea para generar la fricción necesaria para la transmisión.
Otro ejemplo es cuando la fricción generada únicamente al apretar previamente los tornillos se utiliza para soportar cargas laterales, lo que puede resultar en tornillos sobredimensionados. Este problema se puede resolver agregando componentes resistentes al corte, como pasadores, manguitos y chavetas para compartir la carga lateral.
(3) Concentración funcional: para simplificar la estructura de los productos mecánicos, reducir los costos 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 las formas de las piezas sean más complejas, debe moderarse para evitar una mayor dificultad de mecanizado y un aumento inadvertido de los costos de fabricación. El diseño debe determinarse en función de la situación específica.
3.2 Criterios de diseño para cumplir con los requisitos de resistencia.
(1) Criterio de igual resistencia:
Los cambios en las dimensiones de la sección transversal de las piezas deben adaptarse a los cambios en las tensiones internas para que la resistencia 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 soportes voladizos, ejes escalonados, etc.
(2) Estructura de flujo de fuerza razonable:
Para demostrar visualmente el estado de cómo se transmite la fuerza en los componentes mecánicos, se considera que la fuerza fluye como agua en el componente y estas líneas de fuerza convergen en el flujo de fuerza.
El flujo de esta fuerza juega un papel importante en las consideraciones de diseño estructural. El flujo de energía en el componente no se interrumpirá y ninguna línea de fuerza desaparecerá repentinamente. 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 como resultado un flujo de fuerza denso cerca de la ruta más corta y forma una zona de alto voltaje.
El flujo de energía en otras partes es escaso y ni siquiera pasa ningún flujo de energía. Desde el punto de vista del estrés, el material no se aprovecha por completo.
Por lo tanto, para mejorar la rigidez del componente, la forma del componente se diseña de acuerdo con la trayectoria de flujo de fuerza más corta posible, reduciendo el área de carga y reduciendo así la deformación acumulada, aumentando la rigidez de todo el componente y aprovechando al máximo del material.
(3) Minimizar la concentración de tensiones en las estructuras:
Cuando la dirección del flujo de fuerza cambia abruptamente, la fuerza se concentra excesivamente en la curva, lo que lleva a la concentración de tensiones.
Se deben implementar medidas en el diseño para asegurar un cambio gradual en la dirección de la fuerza. La concentración de tensiones es un factor importante que afecta la resistencia a la fatiga de los componentes.
En el diseño estructural, se deben hacer esfuerzos para evitar o minimizar la concentración de tensiones, como aumentar los radios de transición, adoptar estructuras de alivio de tensiones, etc.
(4) Establecer estructuras de equilibrio de carga:
Durante el funcionamiento de la máquina, a menudo se generan algunas fuerzas innecesarias, como fuerzas de inercia y fuerzas axiales de engranajes helicoidales.
Estas fuerzas no sólo aumentan la carga sobre piezas como ejes y rodamientos, reduciendo su precisión y vida útil, sino que también reducen la eficiencia de transmisión de la máquina. El equilibrio de carga 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 de equilibrio y disposición simétrica.
3.3 Pautas de diseño para lograr rigidez estructural
Para garantizar que los componentes funcionen con normalidad durante todo su ciclo de vida, es fundamental dotarlos de la suficiente rigidez.
3.4 Pautas de diseño considerando el proceso de fabricación
El principal objetivo del diseño estructural de componentes mecánicos es asegurar la funcionalidad, permitiendo que el producto cumpla con el desempeño requerido. Sin embargo, la racionalidad del proyecto incide directamente en el coste de producción y la calidad de los componentes.
Por lo tanto, es crucial en el diseño estructural buscar una buena capacidad de fabricación de los mecanismos componentes. Una buena capacidad de fabricación significa que la estructura del componente es fácil de fabricar.
Cada método de fabricación tiene sus limitaciones, lo que puede resultar en altos costos de producción o calidad comprometida.
Por lo tanto, es importante que los diseñadores estén familiarizados con las características de los diversos métodos de fabricación para maximizar sus fortalezas y minimizar sus debilidades durante el diseño.
En la producción real, la capacidad de fabricación de las estructuras de los componentes está limitada por varios factores. Por ejemplo, el tamaño del lote de producción puede afectar el método de creación de los espacios en blanco; Las condiciones del equipo de producción pueden limitar el tamaño de las piezas.
Además, factores como el moldeado, la precisión, el tratamiento térmico, el coste, etc., podrían restringir potencialmente la capacidad de fabricación de la estructura del componente.
Por lo tanto, estos factores deben considerarse cuidadosamente en el diseño estructural por su impacto en la capacidad de fabricación.
3.5 Directrices de diseño para el montaje
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 costo del ensamblaje. Los lineamientos de diseño estructural para el montaje se describen brevemente a continuación:
(1) División racional de las unidades de montaje:
Toda la máquina debe dividirse en múltiples unidades (piezas o componentes) ensambladas de forma independiente para realizar operaciones de ensamblaje paralelas y especializadas, acortar los ciclos de ensamblaje y facilitar las inspecciones y reparaciones técnicas paso a paso.
(2) Asegurar la correcta instalación de los componentes:
Esto incluye el posicionamiento preciso de las piezas, evitando el doble acoplamiento y evitando errores de montaje.
(3) Facilitar el montaje y desmontaje de componentes:
El diseño estructural debe garantizar suficiente espacio de montaje, como espacio para llaves; evitar acoplamientos excesivamente largos para evitar una mayor dificultad de montaje y posibles daños a las superficies de contacto, como se ve en algunos diseños de eje escalonado; Para facilitar el desmontaje de piezas, se deben prever lugares para colocar herramientas de desmontaje, como en el caso del desmontaje de rodamientos.
3.6 Directrices de diseño para mantenimiento y reparación
(1) La configuración de un producto debe organizarse en función de factores como la tasa de fallas, la complejidad de la reparación, el tamaño, el peso y las características de instalación.
Cualquier pieza que requiera mantenimiento debe ser fácilmente accesible. Los componentes con un alto índice de fallos y los interruptores de emergencia que requieren un mantenimiento frecuente deben contar con una accesibilidad óptima.
(2) Los productos, especialmente los consumibles, los componentes que se desmontan con frecuencia y los equipos adicionales, deben ser fáciles de montar y desmontar.
Lo ideal es que el camino de entrada y salida de las piezas durante el desmontaje y 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 ubicarse en lugares de fácil acceso.
(4) Los productos que requieran mantenimiento y desmontaje deben tener un espacio operativo adecuado a su alrededor.
(5) Durante el mantenimiento, los operadores generalmente deben poder ver las operaciones internas. Además de dar cabida a la mano o el brazo del personal de mantenimiento, el paso también debe dejar un espacio adecuado para la observación.
3.7 Directrices para el diseño estético
El diseño de un producto no sólo debe satisfacer sus necesidades funcionales, sino también considerar su valor estético, haciéndolo atractivo para los usuarios. En pocas palabras, un producto debe ser útil y atractivo. Psicológicamente, el 60% de las decisiones humanas se basan en las primeras impresiones.
Dado que los productos técnicos son mercancías en el mercado del comprador, diseñar un exterior atractivo es un requisito de diseño crucial. Además, los productos estéticamente agradables pueden ayudar a los operadores a reducir los errores causados por la fatiga.
La estética del diseño abarca tres aspectos: forma, color y tratamiento superficial.
Al considerar la forma, se debe prestar atención a las proporciones armoniosas de los tamaños, a las formas simples y unificadas, y al realce y embellecimiento proporcionados por los colores y patrones.
Monocromo sólo es adecuado para componentes pequeños. Las piezas grandes, especialmente los muebles, se verán monótonas y planas si se utiliza solo un color. Una pequeña adición de un color contrastante puede darle vida a la combinación de colores general.
En situaciones multicolores, debe haber un color base dominante, y el color correspondiente se conoce como color de contraste.
Sin embargo, el número de colores diferentes en un solo producto no debe ser excesivo, ya que demasiados colores pueden dar una impresión de superficialidad.
Los colores cómodos suelen variar desde el amarillo claro y el amarillo verdoso hasta el marrón. Esta tendencia apunta hacia colores más cálidos, siendo el amarillo y el verde brillantes los que a menudo parecen incómodos; Los tonos fuertes de gris pueden resultar opresivos.
Los colores cálidos como el amarillo, el amarillo anaranjado y el rojo se deben utilizar para ambientes fríos, mientras que los colores fríos como el azul claro se deben utilizar para ambientes cálidos.
Todos los colores deben estar apagados. Además, una configuración de color específica puede hacer que el producto parezca seguro y resistente.
Las áreas con cambios mínimos de forma y superficies más grandes deben configurarse en colores claros, mientras que los componentes con contornos activos y móviles deben configurarse en colores oscuros. Los colores oscuros se deben colocar en la parte inferior de la maquinaria y los colores claros en la parte superior.
3.8 Pautas de diseño considerando el costo
El diseño debe simplificar tanto las tareas del producto como de mantenimiento:
(1) Durante el diseño se deberá realizar un análisis coste-beneficio de las funcionalidades del producto.
Combine funciones similares o idénticas y elimine las innecesarias para simplificar tanto el producto como las tareas de mantenimiento.
(2) El diseño debe buscar la simplicidad estructural y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos funcionales especificados.
Se debe minimizar el número de capas y componentes jerárquicos y simplificar al máximo la forma de las piezas.
(3) Los productos deben diseñarse con mecanismos de ajuste fáciles de usar pero confiables para resolver problemas comunes causados por el desgaste o el descentramiento.
Para piezas costosas propensas a desgaste localizado, diséñelas como conjuntos ajustables o extraíbles para facilitar el reemplazo o reparación parcial. Evite o minimice la necesidad de ajustes iterativos debido a piezas interconectadas.
(4) Los componentes deben organizarse de manera lógica para reducir la cantidad de conectores y accesorios, haciendo que la inspección, el reemplazo de piezas y otras tareas de mantenimiento sean más simples y convenientes.
En la medida de lo posible, el diseño debe permitir la reparación de cualquier componente sin necesidad de desmontarlo, moverlo o, mínimamente, desmontar o mover otras piezas. Este enfoque reduce el nivel de habilidades y la carga de trabajo requerida del personal de mantenimiento.
