INDICES DE SELECCIÓN DE MATERIALES EN DISEÑO MECANICO

INDICES DE SELECCIÓN DE MATERIALES EN DISEÑO MECANICO
(Apartados 6,7‒6,11 Selección de materiales en el diseño mecánico, Michael Ashby)


LILIAN ROCIO BOHADA
NAYIS PAOLA
HAROLD RAGHID CACERES


MATERIALES PARA VENTILADORES DE ALTO-FLUJO

Los motores de automóvil tienen un ventilador que refresca el radiador cuando el movimiento de avance del auto es insuficiente para hacer el trabajo. Comúnmente, el ventilador está impulsado por un cinturón de la unidad principal eje del motor. Las hojas del ventilador están sometidas a fuerzas centrífugas y momentos de flexión causada por la súbita aceleración del motor. Al menos una víctima mortal ha sido causada por la desintegración de un ventilador cuando un motor que habían sido reacios a iniciar de repente surgió a la vida y fue violentamente mientras que navegó un ayudante inclinado sobre él. ¿Qué criterios debe adoptar en una selección de materiales para evitar esto? El material elegido para el ventilador debe ser barato. Cualquier fabricante de automóviles que ha sobrevivido hasta el presente día, ha reducido los costos sin tregua en cada uno de los componentes. La seguridad es lo primero.
El radio, R, del ventilador está determinado por consideraciones de diseño: el caudal de aire, y el espacio en el que debe encajar. El ventilador no debe fracasar. Los requisitos de diseño, entonces, son los de Cuadro 6.12.

MODELO
Una hoja (Figura 6.12) tiene un área de sección A y longitud αR, donde α es la fracción del ventilador, radio R de la hoja (el resto es cubo). Su volumen es αRA y la aceleración angular es W2R, por lo que

Cuadro 6.12 Requisitos de diseño para el ventilador
Función ventilador de enfriamiento
Objetivo Máxima velocidad angular sin fallos
Limitaciones (a) R Radio especificado
(b) Debe ser barato y forma fácil


Fig. 6,12 Ventilador. La tasa de flujo de gas a través del ventilador está relacionada con su velocidad de rotación, que es, en última instancia limitada por su fuerza.


La fuerza centrífuga en la hoja es raíz

F=ρ(αRA)w2R

La fuerza se realiza a través de la sección A, por lo que la tensión en la raíz de la pala es

σ= ραw2R2

Esta tensión no debe superar la tensión de fracaso Σf dividido por un factor de seguridad (por lo general alrededor de 3), que no afecta al análisis y puede ser ignorada. Así, en materia de seguridad:

La longitud R es fijo, como es α. La caja de velocidad de rotación w es maximizada por la selección de materiales con grandes valores de
M=
SELECCIÓN
La figura 6.13 muestra el esfuerzo σf contra la densidad ρ. Los materiales por encima de la línea de selección (pendiente = I), han elevado los valores de M. Esta selección debe ser equilibrada contra el costo. Los ventiladores de bajo costo pueden ser hechos por el moldeado del metal, o por la inyección de moldeo de un polímero (Tabla 6.13).
Fig. 6,13 Materiales baratos para alto flujo de los ventiladores. Polímeros - nylon y polipropilenos- son buenos, así que se componen de fundición de aluminio y aleaciones de magnesio. Los compuestos son mejores, pero más difíciles de fabricar.



ANUNCIO
Para un fabricante de auto-costo adicional es problema, pero el riesgo de una demanda penal es peor por un fallo. Aquí (como en otros lugares) es posible "diseñar" una forma de salir del problema. El problema no es realmente el ventilador; es la variación, los cambios de velocidad del motor que lo impulsa. Los autos con motores eléctricos hacen que sean más seguros y ofrecen beneficios adicionales y permiten un control independiente y más libertad de donde se pone el ventilador.


MATERIALES CANDIDATOS PARA VENTILADOR DE ALTO FLUJO

Hierro Colado
Aleación de aluminio
Polietileno de alta densidad (HDPE)
PVCs

CABEZALES DE PELOTAS DE GOLF DE IMPACTO
La masa es importante cuando las fuerzas inerciales son grandes, ya que son maquinas de alta velocidad. La pelota de golf es un ejemplo: el posicionamiento rápido de la pelota de golf requiere grandes aceleraciones y deceleraciones. Años antes de que se llegó en el mercado, tanto la de pelotas de golf y la maya-rueda de diseño se había considerado y rechazado: en aquellos días cabezales de impresión sólo puede ser de tipo pesado-metal, y había demasiada inercia. El diseño se convirtió en práctica cuando se dieron cuenta de que un polímero (densidad, 1 Mg/m3) puede ser moldeado para llevar el tipo, en sustitución de la base de plomo de tipo metal (densidad, sobre 10 Mg/m3). La misma idea ha contribuido a otros de alta velocidad de los procesos, que incluyen la impresión, la fabricación de textiles, y los envases.

MODELO

Una pelota de golf es una delgada cáscara de paredes amarulladas con las caras de tipo amoldadas en su superficie exterior (Figura 6.14). Su radio exterior, R, es determinado por el requisito de que el cumplimiento de la norma habitual de 88 caracteres; los demás requisitos se resumen en la Tabla 6.14. El tiempo de reposición varía en la raíz cuadrada de su masa, m, donde

y t es el espesor de la pared y la densidad del material de que se haga. Queremos reducir al mínimo esta masa. El espesor de la pared debe ser suficiente para soportar la fuerza de ataque: una fuerza F, distribuidos en


Fig. 6.14 Una bola de golf de cabezal de impacto. Debe ser fuerte aún ligera, se debe reducir al mínimo las fuerzas de inercia durante el rápido reposicionamiento.


Requisitos del diseño para una pelota de golf de impacto
Función Cabeza de impacto rápidamente posicionada
Objetivo Minimizar la masa (y así la inercia)
Limitaciones a) Radio exterior fijo
b) Suficiente esfuerzo; no debe fallar bajo las cargas de impacto
c) Rigidez adecuada
d) Tipo de cara para amoldarse o darse lanzamientos grandemente definidos

una área de aproximadamente b2 donde b es la dimensión lineal de un lado, Cuando el impacto de la pelota de golf las cabezas fallan, ellos se hace crujiendo a través de la pared de la cáscara. Nosotros requerimos por consiguiente como un constreñimiento de la tensión a través del espesor
La variable libre es el espesor de la pared, t. Resolver para t y sustituyendo en la ecuación (6.22) da

El reposicionamiento de tiempo se minimiza por la elección de un material con el mayor valor posible de
El material también debe ser moldeable.


SELECCIÓN
Materiales para la pelota de golf requieren de alto índice ; entonces el gráfico 2 es el apropiado. Se reproduce en la Figura 6.15, con una adecuada selección de líneas construidas en el mismo. Es viable aislados dos clases de candidato materiales: metales, en forma de aluminio o aleaciones de fundición de magnesio (que puede ser moldeado por presión) y el fortalecimiento de polímeros (que pueden ser moldeados en forma determinada). Ambas clases, potencialmente, puede responder a los requisitos de diseño en un peso que es de 15 a 20 veces menos que aleaciones que son de tipo tradicional. Rechazamos la cerámica que son fuertes en la compresión, pero no en la flexión, y compuestos que no pueden ser moldeados para dar detalles. Los datos de los candidatos que figuran en el cuadro 6.15, permite una comparación más detallada. Al final la elección es de carácter económico: la consecución de caracteres de alta definición requiere de alta presión de moldeo, técnicas que cuestan menos, por unidad, para los polímeros que para los metales. De alto módulo, por su alta resistencia los polímeros se han convertido en la principal opción para el diseño.
ANUNCIO
Pelotas de golf y Maya-ruedas están hechas de polímeros, por las razones anteriormente expuestas, pero no sólo un polímero. Una maya-rueda moderna utiliza al menos dos: una para el tipo de cara, que debe resistir el desgaste y el impacto, y una segunda para los dedos, que actúan como amortiguadores de la devolución. Las pelotas de golf tienen una superficie revestimiento de resistencia al desgaste, o simplemente para hacer ver el polímero como un metal. Sus días, sin embargo, están numerados. El láser y las tecnologías de burbuja-motor de reacción ya los han cambiado de sitio grandemente. Estos, también, problemas actuales en materia de selección, pero de un tipo diferente.
Fig. 6.15 Los materiales para las cabezas de impacto de pelota de golf. Los polímeros, debido a su densidad baja, son buenos, el tipo-metal es principalmente la primacía y por consiguiente tiene la inercia alta.

MATERIALES PARA PELOTAS DE GOLF Y MAYA-RUEDA DE CABEZAS DE IMPACTO

Material
(Mpa/(Mg/m3))
Nylons
80
Epoxy
75
Cast Mg alloys
60
Cast All alloys
60
Type metal(Pb-5% Sn-10% Sb)
4













MATERIALES PARA RESORTES

Los resortes vienen en muchas formas (Figura 6.16) y tienen muchos fines: uno piensa en un resorte axial(una banda elástica, por ejemplo), la hoja de resortes, resortes helicoidales, resortes de espiral, barras de torsión. Indiferente de su forma o uso, el material mejor para un resortes de volumen mínimo es con el más grande valor de , y de peso mínimo es con el mayor valor de Nosotros utilizamos como una manera de introducir dos de los más útiles en las cartas: el módulo de Young E contra de la esfuerzo (Gráfico 4), y módulo específico, contra el esfuerzo específico o (Gráfico 5).

Fig. 6.16 Resortes: almacenan la energía. El mejor material para resortes, independientemente de su forma o la manera en que es cargado, es con el valor más alto de , o, si el peso es importante,


Requerimientos Del diseño de un resorte

Función Resorte elástico
Objetivos a) Máximo almacenamiento de energía elástica por unidad de volumen
b) Máximo almacenamiento de energía elástica por unidad de masa
Limitaciones a) Ninguna falla, fractura o fatiga por el rendimiento (Este es el más restrictivo) por todas partes en el resorte
b) Dureza Suficiente: Gc ˃ 1Kj/m2

MODELO

La función principal de un resorte es el de almacenar la energía elástica y - cuando sea necesario - la liberación de nuevo (Cuadro 6.16). La energía elástica almacenada por unidad de volumen en un bloque de material enfatizado a un esfuerzo de manera uniforme es
donde E es el módulo de Young. La energía (W), que queremos aprovechar al máximo. El resorte se dañará si el esfuerzo supera el límite de elasticidad o el esfuerzo de fluencia , la limitación es . Por lo tanto, la máxima densidad de energía es
Barras de torsión y amortiguadores de la hoja son menos eficaces que los resortes axiales porque gran parte del material es no a plena carga: el material en el eje neutral, por ejemplo, no se carga a todos. Para barras de torsión
y para la hoja de resortes

Sin embargo, - como muestran estos resultados - este no tiene ninguna influencia sobre la elección de material. El mejor material de resortes es con el mayor valor de
Si el peso, en lugar de volumen, las cuestiones, tenemos que dividir esto por la densidad (que almacenan la energía por unidad de peso), y buscar materiales con altos valores de

SELECCIÓN

La elección de materiales para fuentes de volumen mínimo se muestra en la Figura 6.17. Una familia de líneas con pendiente de 1/2 con materiales de la igualdad de valores de , aquellos con los más altos valores de M1 se encuentran hacia la parte inferior derecha. La línea es de la familia pesada, es colocarse de tal forma que un subconjunto de los materiales se deja expuesto. Las mejores opciones son una alta resistencia del acero ((resortes de acero, de hecho) se extiende cerca del extremo superior de la línea, y, en el otro extremo, el caucho. Sin embargo, algunos otros materiales se sugieren demasiado: GFRP (actualmente utilizado para muelles de camión), aleaciones de titanio (bueno, pero caro), vidrio (utilizado en galvanómetros) y de nylon (juguetes infantiles a menudo tienen resortes de nylon). Tenga en cuenta la forma en que el procedimiento ha identificando un candidato de casi cada clase de material: metales, vidrios, polímeros, elastómeros y compuestos. Se enumeran, con el comentario, en el cuadro 6.17.
Fig. 6.17 Materiales para los pequeños resortes. De alta resistencia (‘resortes’), de acero son buenos. Vidrio, CFRP, GFRP y todos, bajo las circunstancias adecuadas, hacen buenos los resortes. Los elastómeros son excelentes. Los Cerámicos se eliminan por su baja resistencia a la tracción.


Selección de materiales para resortes ligeros con los valores de la igualdad se muestran en la Figura 6.18. Una familia de líneas de pendiente 2, los materiales con los valores del igual valor de
)2/ =

Uno de ellos es mostrado en el valor M2 = 2KJ/Kg. Los metales, debido a su alta densidad, son menos buenos que los compuestos, y mucho menos buenos que los elastómeros. (Usted puede almacenar aproximadamente ocho veces más energía elástica, por unidad de peso, en una cinta de goma que en el mejor de los resortes de acero.) Los candidatos figuran en el Cuadro 6.18. Madera, el material tradicional de tiro con arco.

ANUNCIO
Muchas consideraciones adicionales entran en la selección de un material para un resorte. Los resortes para suspensiones de vehículos deben resistir la fatiga y la corrosión; Las válvulas IC de resortes deben hacer frente a temperaturas elevadas. A más sutiles de propiedad es el coeficiente de pérdida, se muestra en el Gráfico 7. Los polímeros tienen relativamente alto factor de pérdida y disipan la energía cuando vibran; Los metales, si son firmemente endurecidos, no. Polímeros, por la fluencia, no son adecuados para los resortes que llevan una carga constante, a pesar de que siguen siendo perfectamente buenos para las capturas y la localización de los resortes que pasan la mayor parte de su tiempo átono.
Fig. 6,18 Materiales para resortes ligeros. Los metales se encuentran en desventaja por sus altas densidades. Son buenos los compuestos, también lo es la madera. Los elastómeros son excelentes.




BISAGRAS ELASTICAS

La naturaleza hace mucho uso de bisagras elásticas: piel, músculo, cartílago todos permiten desviaciones grandes, recuperables. Bisagras de la torsión: dispositivos que conectan o transmiten la carga mientras los componentes permiten un movimiento relativo limitado entre ellos desviándose elásticamente. (Figura 6.19 y Mesa 6.19). ¿Qué materiales hacen las bisagras buenas?

MODELO

Considere la bisagra para la tapa de una caja. La caja, tapa y bisagra se amoldarán en un funcionamiento. La bisagra es una ligadura delgada de material que encorva elásticamente como la caja está cerrada, como en la figura, pero no lleva cargas axiales significantes. Entonces el material mejor es uno que (para dado las dimensiones de la ligadura) para curvaturas de radio más pequeño no fallen. Cuando una ligadura t gruesa está elásticamente torcida a un radio R, la deformación unitaria de la superficie es
Y, si la bisagra es elástica, el esfuerzo máximo es

Fig. 6.19 Elástico o 'doblado' de bisagras. Las ligaduras deben doblar repetidamente sin fallar. La gorra de una botella de champú es un ejemplo; se utilizan también en aplicaciones de alto rendimiento y son encontradas ampliamente en la naturaleza.

REQUISITOS DEL DISEÑO PARA BISAGRAS ELASTICAS

Función Bisagra elástica
Objetivo Aumento al máximo de la flexibilidad
Limitaciones Ninguna fluencia, fractura o fatiga durante el rendimiento.
a) sin carga axial
b) Con carga axial adicional


Esto no debe exceder el rendimiento o esfuerzo de fluencia σf. Así el radio a que la ligadura puede ser doblada para que no presente daño es
El material mejor es el que puede doblarse al radio más pequeño, es decir, uno con el más grande valor del índice
Hemos asumido hasta ahora que la bisagra de espesor, t, es dictada por la manera en que la bisagra se hace. Sin embargo, en condiciones normales de utilización, la bisagra también puede llevar fuerzas repetitivas (tracción) F, debido a la manipulación o con el peso de la caja y su contenido. Esto establece un valor mínimo para el espesor, t, que es encontrado al exigir que la tensión de tracción, (donde W es el ancho de la bisagra) no exceda el límite de fluencia :
Y el segundo índice
SELECCION
Los dos criterios involucran proporciones de y E. Tenemos el gráfico 4 (Figura 6.20). Los candidatos son identificados mediante el uso de la guía de la línea de pendiente 1; una línea que se muestra en la posición M= . La mejor de las opciones para la bisagra son todos los materiales poliméricos. La lista (Cuadro 6.20) incluye polietilenos, polipropileno, nylon y, lo mejor de todo, elastómeros, aunque estos pueden ser demasiado flexibles para el cuerpo del cuadro de sí mismo. Los productos baratos con este tipo de bisagra elástica moldeada son generalmente de polietileno, polipropileno o de nylon. Resortes de acero y otros materiales metálicos de resortes (como el fósforo y el bronce) son posibilidades.

MATERIALES SELECCIONADOS PARA BISAGRAS ELASTICAS
MATERIALES PARA SELLOS

Un sello elástico reutilizable consta de un cilindro de material comprimido entre dos superficies planas (Figura 6.21). El sello debe hacer el mayor contacto posible anchura, b, manteniendo en contacto el esfuerzo, σ suficientemente baja que no dañe las superficies planas, y el sello propio debe seguir siendo elástico a fin de que pueda ser reutilizado muchas veces. ¿Qué hacer un buen material de los sellos? Elastómeros - todos sabe que. Pero vamos a hacer el trabajo correctamente, puede haber más que aprender. Construimos la selección en torno a los requisitos de la Tabla 6.21.

MODELO
Un cilindro de diámetro 2R y el módulo E, presionado en una superficie plana y rígida por una fuerza f por unidad longitud, de forma elástica en contacto con una anchura b donde

Esta es la cantidad que se va a aprovechar al máximo: la función objetivo. El contacto con el esfuerzo, tanto en el sello y en la superficie, es aproximarse de manera adecuada por


La limitación: el sello debe seguir siendo elástico, es decir, (T debe ser inferior al rendimiento o el fracaso fuerza, de, del material de que se haga. La combinación de las dos últimas ecuaciones con esta condición da

El contacto se maximiza el ancho de maximizar el índice

Fig. 6,21 Un sello elástico. Un buen sello da una gran área de contacto que se ajusta sin imponer perjudiciales cargas sobre sí misma o en las superficies con las que entra en contacto.



REQUISITOS DE DISEÑO PARA LA ELÁSTICA SELLOS.

Función sello elástico
Objetivo Máximo contacto.
Limitaciones (a) Limitación de la presión de contacto
(b) de bajo costo

También es necesario que el contacto con el esfuerzo σ se mantenga bajo para evitar daños a las superficies planas. Su valor máximo cuando la fuerza de contacto se aplica (para dar el mayor ancho) es simplemente σf, el esfuerzo de fracaso de sello. Supongamos que las superficies planas son dañadas por un esfuerzo de más de 100MPa. La presión de contacto se mantiene por debajo de este, exigiendo que



SELECCIÓN
Los dos índices se trazan sobre la línea σf –E, gráfico en la Figura 6.22 aislamiento de los elastómeros, espumas y el corcho. Los candidatos figuran en el cuadro 6.22 con el comentario. El valor de M2 = 100MPa admite todos los elastómeros como candidatos. Si M2 se redujera a 10 MPa, todos cumplen la mayoría de los elastómeros son eliminados, los espumado y polímeros se convierten en la mejor apuesta.
ANUNCIOEl análisis pone de relieve las funciones que deben realizar los sellos: gran área de contacto, un contacto limitado a presión, estabilidad del medio ambiente. Elastómeros para maximizar el área de contacto; minimizar corcho y espumas

Fig. 6,22 Materiales elásticos para los sellos. Elastómeros, compatible con polímeros y espumas reparar los sellos.

la presión de contacto; PTFE y cauchos de silicona resisten mejor el calor y disolventes orgánicos. El final la elección depende de las condiciones en las que el sello será utilizado.