Armazones o bastidores para máquinas y estructuras
El diseño de armazones para máquinas es en gran medida un arte ya que requiere de acomodar los componentes de máquina. Existen requisitos técnicos que deben ser satisfechos al igual que para la estructura. Los parámetros de diseño más importantes están:
· Resistencia: deberá resistir a todos los esfuerzos de tracción y de corte con el fin de evitar rupturas en el armazón
· Aspecto: deberá verse bien a los ojos, la estética es muy importante
· Resistencia a la corrosión: debe de utilizarse materiales que soporten la corrosión por muchos años, para así expandir su vida útil
· Tamaño: el tamaño deberá ser el adecuado al componente de máquina o máquina que será cubierta
· Atenuar la vibración: la estructura deberá impedir la vibración de los componentes que estás dentro de esta, pues la vibración altera el funcionamiento correcto de las partes y puede ocasionar la ruptura de la misma estructura
· Rigidez: la estructura deberá ser rígida para conseguir la protección de ser humano y de las mismas partes. Que al manipular la estructura o ya en funcionamiento la máquina, esta armazón no sufra deformaciones
· Costos de fabricación: el costo es muy importante debido a que un diseño muy caro es poco rentable, y al contrario, un diseño muy barato pone en duda la calidad
· Peso: el peso de la estructura es un factor importante porque puede afectar la eficiencia del diseño de una máquina y hasta de poder manejarla. Pesos bajos no serían los recomendables para esfuerzas de tracción y corte muy altos. Pesos altos no serían recomendables para su manejo o instalación
· Reducción de ruido: cuanto menos ruido mejor será para los operarios de las máquinas y en general de todas las personas, ya que hay leyes que regulan la cantidad de sonido que una empresa pueda emitir
· Vida útil: depende de algunos los factores anteriormente descritos y al final de todo es el más importante, pues el diseño y fabricación correctos da como resultado una longeva vida útil para la estructura o armazón.
Antes de iniciar un proyecto de diseño de un armazón, se debe tomar en consideración los siguientes factores:
ü Fuerzas que ejercen los componentes de la máquina a través de los puntos de montaje como cojinetes, pivotes, abrazaderas y bases de otros elementos mecánicos
ü Manera en que se va a soportar la propia estructura
ü Precisión del sistema; deflexión permisible de los componentes
ü Cantidades que se van a producir e instalaciones disponibles
ü Disponibilidad de herramientas analíticas como análisis de tensiones por computadora y análisis experimental de tensiones
ü Relaciones con otras máquinas, muros y demás
Materiales
Al igual que con los elementos de máquina que se analizan, las propiedades de resistencia y rigidez del material resultan de primordial importancia. El acero se clasifica con resistencia muy alta si se le compara con otros materiales para fabricar armazones. Sin embargo, es mejor tomar en cuenta algo más que solo resistencia a punto cedente, resistencia máxima a esfuerzo de tracción o resistencia debida a la durabilidad. El diseño se puede realizar con varios materiales a fin de evaluar el rendimiento general. La razón de resistencia a densidad es susceptible de originar una selección de material diferente. Es por eso que se utiliza el aluminio, titanio y materiales compuestos en aeronaves, vehículos aeroespaciales y equipo para transporte. La rigidez de una estructura o armazón suele ser el factor determinante, y no la resistencia; esta rigidez es indicada por el coeficiente de elasticidad.
Límites de deflexión recomendables
Deflexión a consecuencia de flexión
Una parte de una máquina en general: 0,0005 a 0,003 in/in de la longitud de la viga
Precisión moderada: 0,00001 a 0,0005 in/in
Alta precisión: 0,000001 a 0,00001 in/in
Deflexión debido a torsión
Una parte de una máquina en general: 0,001° a 0,01°/in de la longitud
Precisión moderada: 0,00002° a 0,0004°/in
Alta precisión 0,000001° a 0,00002°/in
Sugerencias de diseño para resistir la flexión
∆ = PL3 / KEI
P = carga
L = longitud entre soportes
E = módulo de elasticidad del material de la viga
I = momento de inercia de la sección transversal de la viga
K = un factor que depende de la manera en que se carga y se soporta
En la ecuación la carga y la longitud deben mantenerse pequeñas y los valores E e I deben ser grandes.
Para que el diseño sea resistente a la flexión se debe tomar las siguientes sugerencias:
1. Mantener la longitud de la viga tan corta como sea posible y colocar cargas cerca de los soportes
2. Maximizar el momento de inercia de la sección transversal en el sentido de la deflexión. Esto se puede lograr colocando la mayor parte del material lejos del eje neutral de flexión
3. Utilizar un material cuyo módulo de elasticidad sea alto
4. Donde sea posible utilizar extremos fijos para la viga
5. Considerar la deflexión lateral además de la deflexión en el sentido principal de la carga. Tales cargas se encontrarán durante la fabricación, manejo, embarque, uso inadecuado o golpes accidentales
6. Evaluar en el diseño final la resistencia y rigidez
7. Proporcionar apuntalamiento rígido en las esquinas de estructuras o armazones abiertos
8. Cubrir la sección abierta de un armazón o estructura con un material laminado para resistir la distorsión (refuerzo mediante entrepaños)
9. Considerar una construcción tipo armadura o entramado para obtener rigidez estructural con miembros de poco peso
10. Utilizar riostras o apuntalamientos diagonales para dividir secciones en partes triangulares, una forma inherentemente rígida
11. Usar montantes de refuerzo para paneles de gran tamaño a fin de reducir la vibración y el ruido
12. Agregar riostras o apuntalamientos donde se aplican cargas o en los soportes para ayudar a transferir las fuerzas hacia miembros adyacentes
13. Tener cuidado con los miembros que soportan cargas provistos de rebordes extendidos que pueden colocarse en compresión. Puede provocarse pandeo a nivel local (desgarramiento o inestabilidad local)
14. Colocar las conexiones en puntos de baja tensión
Sugerencias para diseñar miembros de manera que resistan la torsión
θ = TL / GR
T = torque aplicado o momento de torsión
L = longitud a lo largo de la que actúa el torque
G = módulo de elasticidad ante esfuerzo de corte de material
R = constante de rigidez torsional
Se debe tomar en cuenta la forma del miembro para poder obtener una estructura rígida las cuales pueden ser: tira delgada, forma de canal, tubo hueco abierto, tubo hueco cerrado y tubo cuadrado cerrado; de los cuales los últimos dos son los más utilizados debido a la alta rigidez torsional. Además se deben escoger las riostras ya sea: transversal convencional, diagonal única y diagonal doble.
Sugerencias:
1. Siempre que sea posible utilizar secciones cerradas
2. Evitar secciones abiertas que se fabrican con materiales delgados
3. Para armazones anchos, abrazaderas, mesas, bases y demás; utilizar riostras diagonales que se colocan a 45° a los lados de la estructura o armazón
4. Utilizar conexiones rígidas (soldaduras)
Fuente: Diseño de Elementos de Máquina Robert L. Mott
