Diseno en ingenieria mecanica de Shigley – 8th —HD

1092 Pages·2010·15.34 MB·English

by  Richard G. Budynas

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Material

Módulo de
elasticidad E

Mpsi
GPa

Módulo de
rigidez G

Mpsi
GPa
Relación
de Poisson v
Peso unitario w
lb/pulg3
lb/ft3
kN/m3

Constantes físicas de materiales

Aluminio (todas las aleaciones)

Cobre al berilio

Latón

Acero al carbono

Fundición de hierro (gris)

Cobre

Abeto Douglas

Vidrio

Inconel

Plomo

Magnesio

Molibdeno

Metal Monel

Níquel plata

Acero al niquel

Bronce fosforado

Acero inoxidable (18-8)

10.3

18.0

15.4

30.0

14.5

17.2

1.6

6.7

31.0

5.3

6.5

48.0

26.0

18.5

30.0

16.1

27.6

71.0

124.0

106.0

207.0

100.0

119.0

11.0

46.2

214.0

36.5

44.8

331.0

179.0

127.0

207.0

111.0

190.0

3.80

7.0

5.82

11.5

6.0

6.49

0.6

2.7

11.0

1.9

2.4

17.0

9.5

7.0

11.5

6.0

10.6

26.2

48.3

40.1

79.3

41.4

44.7

4.1

18.6

75.8

13.1

16.5

117.0

65.5

48.3

79.3

41.4

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0.425

0.350

0.307

0.320

0.322

0.291

0.349

0.305

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0.297

0.309

0.282

0.260

0.322

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0.307

0.411

0.065

0.368

0.319

0.316

0.280

0.295

0.280

169

513

534

487

450

556

28

162

530

710

112

636

551

546

484

510

484

26.6

80.6

83.8

76.5

70.6

87.3

4.3

25.4

83.3

111.5

17.6

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86.6

85.8

76.0

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Diseño en
ingeniería
mecánica
de Shigley

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Diseño en
ingeniería
mecánica
de Shigley

Octava edición

Richard G. Budynas
Profesor emérito
Kate Gleason College of Engineering
Rochester Institute of Technology

J. Keith Nisbett
Profesor asociado de Ingeniería Mecánica
Universidad de Missouri—Rolla

Revisión técnica:

Miguel Ángel Ríos Sánchez
Departamento de Ingeniería Mecánica
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores
de Monterrey, campus Estado de México

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA • MADRID
NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN
MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos
Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón
Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez
Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas
Supervisor de producción: Zeferino García García

Traducción: Jesús Elmer Murrieta Murrieta

Efrén Alatorre Miguel

DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA DE SHIGLEY
Octava edición

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,

por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2008 respecto a la octava edición en español por
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Edifi cio Punta Santa Fe

Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A

Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,

Delegación Álvaro Obregón

C.P. 01376, México, D. F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN-10: 970-10-6404-6
ISBN-13: 978-970-10-6404-7

Traducido de la octava edición en inglés de la obra SHIGLEY’S MECHANICAL ENGINEERING DESING, by Richard
G. Budynas and J. Keith Nisbett. Copyright ©2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved
ISBN-13: 978-0-07-312193-2
ISBN edición anterior en español: 970-10-3646-8

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09765432108

Impreso en México
Printed in Mexico

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Dedicatoria

A mi familia y buenos amigos, en especial a mi esposa
Joanne, quien realmente le da significado a todo esto.
También, al sinnúmero de estudiantes con quienes he teni-
do el placer de trabajar a través de los años.

Richard G. Budynas

A mi padre, quien compartió conmigo sus habilidades
como operador de máquinas, me demostró la curiosidad
de un ingeniero, y nunca dudó en su reconocimiento de por
qué cualquiera de estos aspectos tiene un significado.

J. Keith Nisbett

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Dedicatoria a Joseph Edward Shigley

Joseph Edward Shigley (1909-1994) es indudablemente una de las personas más conocidas
y respetadas por sus aportaciones a la enseñanza del diseño de máquinas. Fue autor o coautor
de ocho libros, incluyendo Theory of Machines and Mechanisms (con John J. Uicker, Jr.),
y Handbook of Machine Design. Comenzó con Machine Design como autor único en 1956,
hasta que el texto evolucionó hasta convertirse en Mechanical Engineering Design (Diseño
en ingeniería mecánica), con el que se estableció el modelo para este tipo de libros de texto.
Contribuyó con las primeras cinco ediciones de este libro, junto con los coautores Larry
Mitchell y Charles Mischke. Un número incontable de estudiantes a lo largo del mundo tie-
nen su primer encuentro con el diseño de máquinas a través del libro de texto de Shigley, que
se ha convertido en un verdadero clásico. Prácticamente todos los ingenieros mecánicos del
pasado medio siglo han hecho referencia a terminología, ecuaciones o procedimientos como
provenientes de “Shigley”. McGraw-Hill tiene el honor de haber trabajado con el Profesor
Shigley durante más de cuarenta años, y como un tributo a su última contribución a este
libro, su título reflejará de manera oficial el nombre que muchas personas ya le dan al texto:
Diseño en ingeniería mecánica de Shigley.
Después de haber recibido títulos en Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Mecánica por la
Universidad Purdue y una maestría en ciencias en ingeniería mecánica por la Universidad
de Michigan, el profesor Shigley realizó una carrera académica en el Clemson College, de
1936 a 1954. Esto lo condujo a su puesto como profesor y jefe de diseño mecánico y dibujo
en dicha institución. Se unió al magisterio del Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Universidad de Michigan en 1956, donde permaneció durante veintidós años hasta su retiro
en 1978.
El profesor Shigley obtuvo el rango de catedrático de la Sociedad Estadounidense de
Ingenieros Mecánicos (ASME) en 1968. Recibió el premio del Comité de Mecanismos de la
ASME en 1974, la medalla Worcester Reed Warner por su destacada contribución a la litera-
tura permanente para ingeniería en 1977, y el premio para el Diseño de Máquinas de la ASME
en 1985.
Joseph Edward Shigley ciertamente marcó la diferencia. Su legado perdurará.

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Acerca de los autores

Richard G. Budynas es profesor emérito del Colegio de Ingeniería Kate Gleason en el
Instituto de Tecnología Rochester. Tiene más de 40 años de experiencia en la enseñanza y la
práctica del diseño para ingeniería mecánica. Es el autor de un libro de texto de McGraw-
Hill, Advanced Strength and Applied Stress Analysis, segunda edición; y coautor de un libro
de referencia reciente para McGraw-Hill, Roark’s Formulas for Stress and Strain, séptima
edición. Recibió el grado de Licenciatura en Ingeniería Mecánica en el Union College,
el de Maestría en la Universidad de Rochester y el de Doctorado en la Universidad de
Massachussets. Es ingeniero profesional con licencia en el estado de Nueva York.

J. Keith Nisbett es profesor asociado y catedrático asociado de Ingeniería Mecánica en la
Universidad de Missouri en Rolla. Tiene más de 20 años de experiencia en el uso y la ense-
ñanza de este libro clásico. Como lo demuestran los continuos premios a la enseñanza que ha
recibido, incluyendo el premio que otorga el gobernador para la excelencia en la enseñanza,
está dedicado a encontrar formas de comunicar conceptos a los estudiantes. Recibió el grado
de licenciatura, maestría y doctorado de la Universidad de Texas en Arlington.

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Contenido breve

Prefacio xvii

Parte 1
Fundamentos 2

1
Introducción al diseño en la ingeniería mecánica 3

2
Materiales 27

3
Análisis de carga y esfuerzo 67

4
Defl exión y rigidez 141

Parte 2
Prevención de fallas 204

5
Fallas resultantes de carga estática 205

6
Fallas por fatiga resultantes de carga variable 257

Parte 3
Diseño de elementos mecánicos 346

7
Ejes, fl echas y sus componentes 347

8
Tornillos, sujetadores y diseño de uniones no permanentes 395

9
Soldadura, adhesión y diseño de uniones permanentes 457

10
Resortes mecánicos 499

11
Cojinetes de contacto rodante 549

12
Cojinetes de contacto deslizante y lubricación 597

13
Engranes: descripción general 653

14
Engranes rectos y helicoidales 713

15
Engranes cónicos y de tornillo sinfín 765

16
Embragues, frenos, coples y volantes 805

17
Elementos mecánicos fl exibles 859

18
Caso de estudio: transmisión de potencia 913

Parte 4
Herramientas de análisis 932

19
Análisis de elementos fi nitos 933

20
Consideraciones estadísticas 957

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Apéndices

A
Tablas útiles 983

B
Respuestas a problemas seleccionados 1039

Índice 1044

Contenido breve xi

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Contenido

Prefacio xvii

Parte 1
Fundamentos 2

1
Introducción al diseño en la
ingeniería mecánica 3

1-1
El diseño 4

1-2
El diseño en la ingeniería mecánica 5

1-3
Fases e interacciones del proceso de diseño 5

1-4
Herramientas y recursos de diseño 8

1-5
Responsabilidades profesionales del ingeniero de
diseño 10

1-6
Normas y códigos 12

1-7
Economía 12

1-8
Seguridad y responsabilidad legal
del producto 15

1-9
Esfuerzo y resistencia 15

1-10
Incertidumbre 16

1-11
Factor de diseño y factor de seguridad 17

1-12
Confiabilidad 18

1-13
Dimensiones y tolerancias 19

1-14
Unidades 21

1-15
Cálculos y cifras significativas 22

1-16
Especificaciones del estudio del caso
transmisión de potencia 23

Problemas 24

2
Materiales 27

2-1
Resistencia y rigidez del material 28

2-2
Significancia estadística de las propiedades de los
materiales 32

2-3
Resistencia y trabajo en frío 33

2-4
Dureza 36

2-5
Propiedades de impacto 37

2-6
Efectos de la temperatura 39

2-7
Sistemas de numeración 40

2-8
Fundición en arena 41

2-9
Moldeado en cascarón 42

2-10
Fundición de revestimiento 42

2-11
Proceso de metalurgia de polvos 42

2-12
Procesos de trabajo en caliente 43

2-13
Procesos de trabajo en frío 44

2-14
Tratamiento térmico del acero 44

2-15
Aceros aleados 47

2-16
Aceros resistentes a la corrosión 48

2-17
Materiales para fundición 49

2-18
Metales no ferrosos 51

2-19
Plásticos 54

2-20
Materiales compuestos 55

2-21
Selección de materiales 56

Problemas 63

3
Análisis de carga
y esfuerzo 67

3-1
Equilibrio y diagramas de cuerpo libre 68

3-2
Fuerza cortante y momentos flexionantes en
vigas 71

3-3
Funciones de singularidad 73

3-4
Esfuerzo 75

3-5
Componentes cartesianos del esfuerzo 75

3-6
Círculo de Mohr del esfuerzo plano 76

3-7
Esfuerzo tridimensional general 82

3-8
Deformación unitaria elástica 83

3-9
Esfuerzos uniformemente distribuidos 84

3-10
Esfuerzos normales para vigas en flexión 85

3-11
Esfuerzos cortantes para vigas en flexión 90

3-12
Torsión 95

3-13
Concentración del esfuerzo 105

3-14
Esfuerzos en cilindros presurizados 107

3-15
Esfuerzos en anillos rotatorios 110

3-16
Ajustes a presión y por contracción 110

3-17
Efectos de la temperatura 111

3-18
Vigas curvas en flexión 112

3-19
Esfuerzos de contacto 117

3-20
Resumen 121

Problemas 121

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Contenido xiii

4
Deflexión y rigidez 141

4-1
Constantes de resorte 142

4-2
Tensión, compresión y torsión 143

4-3
Deflexión debida a flexión 144

4-4
Métodos para calcular la deflexión en vigas 146

4-5
Cálculo de la deflexión en vigas
por superposición 147

4-6
Cálculo de la deflexión de una viga por funciones
de singularidad 150

4-7
Energía de deformación 156

4-8
Teorema de Castigliano 158

4-9
Deflexión de elementos curvos 163

4-10
Problemas estáticamente indeterminados 168

4-11
Elementos sometidos a compresión-general 173

4-12
Columnas largas con carga centrada 173

4-13
Columnas de longitud intermedia con carga
centrada 176

4-14
Columnas con carga excéntrica 176

4-15
Puntales o elementos cortos sometidos a
compresión 180

4-16
Estabilidad elástica 182

4-17
Choque e impacto 183

4-18
Cargas aplicadas en forma súbita 184

Problemas 186

Parte 2
Prevención de fallas 204

5
Fallas resultantes de carga
estática 205

5-1
Resistencia estática 208

5-2
Concentración del esfuerzo 209

5-3
Teorías de falla 211

5-4
Teoría del esfuerzo cortante máximo para
materiales dúctiles 211

5-5
Teoría de la energía de distorsión para materiales
dúctiles 213

5-6
Teoría de Mohr-Coulomb para materiales
dúctiles 219

5-7
Resumen de fallas para materiales dúctiles 222

5-8
Teoría del esfuerzo normal máximo para materiales
frágiles 226

5-9
Modificaciones a la teoría de Mohr para materiales
frágiles 227

5-10
Resumen de fallas de materiales frágiles 229

5-11
Selección de criterios de falla 230

5-12
Introducción a la mecánica de la fractura 231

5-13
Análisis estocástico 240

5-14
Ecuaciones de diseño importantes 246

Problemas 248

6
Fallas por fatiga resultantes
de carga variable 257

6-1
Introducción a la fatiga en metales 258

6-2
Enfoque de la falla por fatiga en el análisis y el
diseño 264

6-3
Métodos de la fatiga-vida 265

6-4
Método del esfuerzo-vida 265

6-5
Método de la deformación-vida 268

6-6
Método mecánico de la fractura lineal-
elástica 270

6-7
Límite de resistencia a la fatiga 274

6-8
Resistencia a la fatiga 275

6-9
Factores que modifican el límite de resistencia a la
fatiga 278

6-10
Concentración del esfuerzo y sensibilidad a la
muesca 287

6-11
Caracterización de esfuerzos fluctuantes 292

6-12
Criterios de la falla por fatiga ante esfuerzos
variables 295

6-13
Resistencia a la fatiga por torsión bajo esfuerzos
fluctuantes 309

6-14
Combinaciones de modos de carga 309

6-15
Esfuerzos variables y fluctuantes; daño por fatiga
acumulada 313

6-16
Resistencia a la fatiga superficial 319

6-17
Análisis estocástico 322

6-18
Resumen de ecuaciones de diseño importantes para
el método del esfuerzo-vida 336

Problemas 340

Parte 3
Diseño de elementos mecánicos 346

7
Ejes, flechas y sus
componentes 347

7-1
Introducción 348

7-2
Materiales para fabricar ejes 348

7-3
Configuración del eje 349

7-4
Diseño de ejes para el esfuerzo 354

7-5
Consideraciones sobre deflexión 367

7-6
Velocidades críticas de ejes 371

7-7
Componentes diversos de los ejes 376

7-8
Límites y ajustes 383

Problemas 388

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