1. INTRODUCCION AL
DISEÑO MECÁNICO
Julio Vergara Aimone
ICM 2312

2. TEMARIO
DEFINICIONES
ÁREAS DE DISEÑO
PROCESO DE DISEÑO
FACTORES EN COMPROMISO
CONCLUSIONES

3. INTRODUCCIÓN
Diseño tiene varios significados según el usuario.
Para algunos es el plan inicial; para otros un mo-
delo final. Para algunos ser un producto tangible
(i.e. una licuadora); para otros puede ser un con-
cepto abstracto (i.e. una marca corporativa) o un
sistema complejo (i.e. plan de transporte urbano).
Para unos será un instrumento funcional (i.e. ve-
hículo); para otros un producto estético (i.e. arte,
vestido, o un perfume). Para unos es sustantivo
(producto); para otros es verbo (proceso), o am-
bos. Todos requieren “creatividad”.
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4. INTRODUCCIÓN
Algunas preguntas a responder son:
 ¿qué significa diseño?,
 ¿qué significa diseño mecánico?
 ¿qué significa diseño de máquinas?
 ¿qué significa diseño en ingeniería mecánica?
 ¿cómo se relaciona con el diseño industrial?
 ¿cómo se relaciona con el diseño de productos?
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5. INTRODUCCION
“Un buen producto debe ser discreto. El diseño no
es moda” Ferry Porsche, creador del 911
Para muchos, el diseño de un auto es la estética.
Para un ingeniero comercial, el diseño de un auto
es un medio para capturar a un segmento de mer-
cado asociado al producto, de cierto costo o cali-
dad, definiendo una renta sostenible a una firma.
Para un ingeniero industrial o un gerente de una
firma de automóviles o un planificador urbano, es
concretar una demanda de movilidad acorde a los
requerimientos de cierto usuario.
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6. INTRODUCCION
Para los ingenieros (mecánicos), la apariencia del
auto no importa tanto con su desempeño de segu-
ridad, velocidad, autonomía, consumo de combus-
tible, durabilidad, capacidad de carga y pasajeros,
peso, tamaño, etc.. Su apariencia es secundaria.
¿Quién tiene la razón?...... Todos.
Los clientes del auto también serán muy distintos,
unos lo usarán para moverse, otros para invertir,
otros para su satisfacción personal, otros para
aparentar poder o riqueza: necesidades amplias.
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7. INTRODUCCION
Todo se “diseña”. Se diseña un automóvil, se di-
seña una casa, se diseña un estampado o un ves-
tido, se diseña una máquina, se diseña un buque,
se diseña un submarino (que poco se parece a un
buque), se diseña una fuerza de tarea, se diseña
una estrategia, se diseña esta página (Powerpoint
tiene una barra completa que dice “diseño”), etc.
El término diseño tiene varios significados. Se usa
y traslapa con artes aplicadas, ingeniería, tecnolo-
gía, arquitectura y otras disciplinas creativas, y
por ende se suele asociar a un proceso.
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8. INTRODUCCION
El diseño puede ser una simple herramienta (i.e.
un nuevo sujetador) o una solución holística (i.e.
una oficina totalmente virtual). El diseño también
puede ser utópico (i.e. la oficina a distancia como
solución a la sobrecarga vial).
El diseño se asocia a “escuelas” guiadas por sus
diseñadores líderes o artistas, que establecen sus
principios, i.e. “la forma sigue a la función”.
El diseño efectivo usualmente requiere establecer
una filosofía, misión, visión, estrategias, objetivos,
metas, especificaciones, criterios de calidad, etc.
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9. DEFINICIONES
Diseño puede provenir del latín “designare”, que
significa: “designar o marcar”, es decir delinear,
planear una acción o un trabajo, idear, concebir,
crear, inventar. Se asocia a la creatividad.
También parece provenir del italiano “disegno”,
que significa dibujo. Muchas definiciones parten
de allí. El bosquejo en ingeniería sigue válido.
Además, significaría designio, signare, signado,
es decir lo que está por venir. Entonces, es una
visión, un bosquejo, un esquema o boceto, una
imagen gráfica.
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10. DEFINICIONES
Diseñar implica un proceso de creación y desarro-
llo de un producto o servicio). Diseño es el resul-
tado (maqueta, plan, etc.).
¿Es Arte u oficio?. La principal diferencia es que
el artista no necesariamente debe justificar utili-
dad en una creación, planeada o espontánea.
Como oficio o profesión, el diseño implica intera-
cciones con ciertos usuarios (líderes) para ajustar
las necesidades. De este modo se logra un servi-
cio esperada. El resultado debe ser documentado.
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11. DEFINICIONES
Diseño: proceso creativo de un plan destinado a
desarrollar un producto, una estructura, sistema
o componente con un propósito. También puede
ser un sustantivo. Significa arte e ingeniería.
(The Cambridge Dictionary of American English)
Diseño Industrial: actividad proyectual que define
las prioridades de objetos producidos industrial-
mente. La forma tiene la misión, no sólo alcanzar
un nivel estético, de hacer evidentes significacio-
nes y resolver problemas prácticos de la fabrica-
ción y el uso. Un proceso formal, a veces incons-
ciente (Tomás Maldonado, Diseñador Industrial).
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12. DEFINICIONES
Diseño Industrial: arte aplicado en el cual la estéti-
ca y usabilidad de productos de uso masivo puede
ser mejorada para producción y comercialización.
Implica soluciones para los problemas de forma,
uso, ergonomía, ingeniería, marketing, desarrollo
de marca y ventas (J deNoblet, Industrial Design).
Diseño de Productos: ciclo sistemático de planifi-
cación, generación de ideas, desarrollo de concep-
tos, diseño de detalle de sistemas, prueba y sele-
cción de conceptos, manufactura y adopción de un
producto tangible o de un servicio. (Karl Ulrich,
Product Design and Development).
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13. DEFINICIONES
Diseño de Ingeniería: proceso de aplicar diversas
técnicas y principios científicos con el objeto de
definir un dispositivo, un proceso o un sistema
con suficiente detalle para permitir su realización.
(Robert Norton, Diseño de Máquinas)
Diseño Mecánico: diseño de cosas y sistemas de
naturaleza mecánica, como máquinas, productos,
estructuras, dispositivos e instrumentos, usando
matemáticas, ciencia de materiales y las ciencias
de la ingeniería mecánica (Joseph Shigley, Diseño
de Ingeniería Mecánica).
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14. DEFINICIONES
Diseño en Ingeniería Mecánica: concepto más am-
plio que diseño mecánico al incluir todas las disci-
plinas de la ingeniería mecánica, como las ciencias
de termofluídos (Joseph Shigley, Diseño de Inge-
niería Mecánica).
Diseño de Máquinas: se ocupa de la creación de
maquinaria que funcione segura y confiablemente
(Robert Norton, Diseño de Máquinas). Este texto
entiende por máquina a un aparato de unidades
interrelacionadas (elementos de máquinas), o a
dispositivos que modifican fuerzas o movimiento.
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15. DEFINICIONES
Ingeniería Mecánica: (para recordar) antigua dis-
ciplina de la ingeniería que se refiere a la aplica-
ción de los principios científicos en el diseño y
análisis, la fabricación y mantenimiento de varios
sistemas, como plantas de potencia, motores y
vehículos de todo tipo.
Ingeniería: aplicación creativa de principios cientí-
ficos para diseñar o crear estructuras, máquinas,
aparatos o procesos de manufactura respecto a la
función deseada, en forma económica y segura
(Accreditation Board for Engineering & Technology).
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16. ÁREAS DE DISEÑO
Todo se “diseña”. Encontramos la palabra diseño
en muchas áreas profesionales. Algunos ejemplos:
En la empresa: En la planta: En otras áreas:
Diseño de negocios Diseño mecánico Diseño de comport.
Diseño organizacional Diseño de máquinas Diseño de sonido
Diseño de plataformas Diseño arquitectónico Diseño de contenidos
Diseño de información Diseño ergonómico Diseño gráfico
Diseño de productos Diseño de software Diseño de teatro
Diseño de procesos Diseño experimental Diseño de vestuario
Diseño de transporte Diseño asistido Diseño ambiental
Diseño de empaque, ... Diseño sustentable, ... Diseño de interiores, ...
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17. PROCESO DE DISEÑO
El diseño mecánico es un “proceso” en el cual el
ingeniero itera soluciones hasta lograr un resul-
tado óptimo o al menos satisfactorio.
Hay varias propuestas complementarias de pro-
cesos de diseño mecánico. Las etapas inicial y
final son las más obvias (pero no simples), las
etapas intermedias suelen cambiar de matiz.
En el proceso se verificarán posibilidades de falla
que exigirán cambio de geometrías (i.e. inercia) o
de materiales (más resistentes), iterando (regreso
a un estado previo) con varias alternativas.
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18. PROCESO DE DISEÑO
El diseño mecánico se inicia con una actividad
esencial (la necesidad), que suele omitirse, dan-
do lugar a resultados comerciales, financieros y
operacionales insatisfactorios (¿ejemplos?).
El proceso culmina con una etapa de documen-
tación, la presentación de los resultados y me-
morias cuyo propósito es registrar el aprendiza-
je del proceso (bueno o malo). Esta etapa suele
omitirse lo que termina reincidiendo los errores.
A veces la iteración del proceso puede culminar
en relajar algunas especificaciones iniciales.
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19. PROCESO DE DISEÑO
El proceso de diseño mecánico se subordina a
un proceso de desarrollo de producto(s) o ser-
vicios, que le da sustento práctico al ejercicio.
El componente o el sistema (o proceso) que se
diseña debiera ser una parte integral de una
actividad superior.
El resultado puede ser un producto de uso masi-
vo (automóviles electricos) o un producto único
(un reactor para una base lunar). También puede
ser una planta para producir un determinado ser-
vicio (un superhub).
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20. PROCESO DE DISEÑO
La propuesta de Shigley
Determinación de Necesidades
Definición del Problema
Síntesis
Análisis y Optimización
Evaluación
Presentación
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21. PROCESO DE DISEÑO
La propuesta de Ulrich
Planeación
Desarrollo del Concepto
Diseño de Sistemas
Diseño de Detalle
Pruebas y Ajustes
Secuencia de Producción
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22. PROCESO DE DISEÑO
La propuesta de Norton
Identificación de la Necesidad Producción
Identificación de Antecedentes Prototipo y Pruebas
Enunciado del Objetivo Diseño de Detalle
Especificaciones Selección
Síntesis Análisis
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23. PROCESO DE DISEÑO
La propuesta de
• Qué puede ser
Inspiración • Asuma fallas
• Hecho para pensar
• Prototipo simple
• Hecho por uno mismo
• Qué debiera ser
Evolución • Esperar cambios
• Hecho para probar
• Prototipo deseado
• Hecho con especialista
• Qué será
Validación • Gestionar cambios
• Acorde a especs.
• Prototipo integral
• Hecho por especialista
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24. PROCESO DE DISEÑO
La propuesta de Harrington (MEng)
+I&D Diseño
D.E. Exploratorio
a E.F.
Estudios de
E.F. Factibilidad
Diseño
D.Cp. Conceptual
a D.P.
Diseño
D.P. Preliminar
Diseño
D.Ct. Contractual
Diseño
D.D. de Detalle
Construcción
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25. PROCESO DE DISEÑO
Espiral de Diseño
Estudio Factibilidad Desplazamiento y
Objetivo por Fase
Líneas Sistemas de
Diseño Conceptual Arreglo
Propulsión 1 Concepto
Diseño Preliminar Estructura Potencia
2 Requerimientos
Diseño Contractual 3 Especificaciones
Pesos y Características de Forma y
Volumenes Dimensiones
Capacidades Evaluación
(payload) del Diseño
Estabilidad Diseño de Requirementos
Intacta Detalle 3 2 1 Generales MISIÓN
Estabilidad Costo Ciclo de
Dañada Vida
Sistemas Aux. de Soporte
Propulsión Logístico
Sistemas Aux. de Resistencia al Estimación
Maniobra Impacto y Shock Cálculo
Ajuste
Sistemas de Emisiones de Revisión
Combate Sistemas de Ruido, calor,.. Selección
Navegación
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26. PROCESO DE DISEÑO
Espiral de Diseño
Pesos y Volumenes Forma y Dimensiones
Estabilidad
Intacta Espiral Requirementos Generales
Básica de
Diseño
Sistemas Aux. de Soporte Logístico
Propulsión
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27. PROCESO DE DISEÑO
El diseño mecánico se beneficia de
SW de “apoyo” (no diseñan por si
mismos), i.e. CAD, Inventor, etc.
Forman parte de la docu-
mentación o informe final.
Los cálculos se simplifican con planillas y herra-
mientas matemáticas, i.e. Excel, MathCAD, Mathe-
matica, MatLab, TK solver, etc.
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28. PROCESO DE DISEÑO
Unidades: Usamos el Système Inter-
national d'Unités (SI), creado en 1960
del sistema métrico decimal, y cuenta
con siete unidades básicas. Pero, no
todos lo adoptan, i.e. USA, lo que sue-
le conducir a accidentes y errores.
Permite a todos expresar las mismas unidades,
basadas en general en fenómenos físicos, salvo
el metro que se refiere a un patrón en custodia.
El sistema inglés se origina en prácticas (milla,
pulgada, pie, nudo, pinta, etc.)
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29. PROCESO DE DISEÑO
Unidades básicas:
Magnitud Física Unidad Observaciones
Distancia que recorre la luz en el vacío
Longitud L metro m en 1/299792458 s
Duración de 9192631770 periodos de
Tiempo T segundo s transición entre 2 niveles de 133Cs.
Masa M kilogramo kg Masa de un cilindro patrón en custodia
La que produce 2·10-7 N/m entre dos
Intensidad de corriente I amperio A conductores a 1 m, en el vacío.
Temperatura termodinámica (1/273.16°)
Temperatura Θ kelvin K del punto triple del agua.
Cantidad de unidades (moléculas, e-,...)
Cantidad de sustancia N mol mol como átomos hay en 0.012 kg de 12C.
De fuente monocromática de 540·1012
Intensidad luminosa J candela cd Hz que produce 1/683 W/sr.
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30. PROCESO DE DISEÑO
Muchos elementos de máquinas se relacionan con
trabajo y movimiento, a diferencia de las estructu-
ras (se les da una connotación más estática, lo que
no es absoluto). Se sostiene que las máquinas son
las que crean movimiento y fuerzas como conse-
cuencia de un proceso de conversión de energía.
El ingeniero define movimientos, estima fuerzas
para determinar los materiales y geometrías de los
componentes interrelacionados de uan máquina.
Para llegar a ello, muchas veces es necesario dise-
ñar componente por componente.
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31. PROCESO DE DISEÑO
Para cada componente, junto con su geometría, se
estima la inercia y las fuerzas a las que se somete
dentro del sistema. A veces sin fuerzas externas
un material puede fallar (i.e. ultracentrífugas), i.e.
víctima de su propia densidad y módulo.
Por otro lado, una estructura estática puede ser
“engrosada” con material para reducir el nivel de
esfuerzos o tolerar más cargas. En una máquina,
o “estructura en movimiento”, lo anterior puede
ser contra-producente, pues implica más energía
en mover y también puede implicar su propia falla.
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32. PROCESO DE DISEÑO
Ejemplos de Fuentes de Códigos de Diseño:
AFBMA: Anti-friction Bearing Manufacturers Association
AGMA : American Gear Manufacturing Association
AIAA : American Institute of Aeronautics and Astronautics
AISC : American Institute of Steel Construction
AISI : American Iron and Steel Institute
ANSI : American National Standards Institute
ASCE : American Society of Civil Engineers
ASM : American Society for Metals
ASME : American Society of Mechanical Engineers
ASTM : American Society of Testing and Materials
ASNE : American Society of Naval Engineers
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33. PROCESO DE DISEÑO
Ejemplos de Fuentes de Códigos de Diseño:
AWS : American Welding Society
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
IET : Institution of Engineering and Technology
IMechE: Institution of Mechanical Engineers
ISO : International Standards Association
NIST : National Institute for Standards and Technology
SAE : Society of Automotive Engineers
SAME : Society of American Military Engineers
SNAME: Society of Naval Architects and Marine Engineers
SPE : Society of Plastic Engineers
UL : Underwriters Laboratories
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34. FACTORES EN COMPROMISO
El diseño está guiado por una filosofía, que per-
mite al diseñador establecer prioridades y metas.
Un objeto puede resultar muy diferente según las
condiciones iniciales y restricciones. Este depen-
derá de las decisiones sobre factores en compro-
miso, i.e. funcionalidad, rendimiento, costo, ergo-
nomía, reciclabilidad, apariencia, etc.
La priorización de factores sobre otros (filosofía
de diseño) define el resultado esperado (i.e. SUV
vs auto deportivo vs minivan), los mercados, el
volumen y otras variables. Veamos un ejemplo.
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35. FACTORES EN COMPROMISO
Agregar masa a partes en movimiento acelerado
puede reducir su margen de seguridad, carga útil
o velocidad permisible. La mayor “resistencia” de
tal parte, aplicando la 2a ley de Newton (F = m·a),
con más masa, aumenta las cargas de inercia.
Conocidas las fuerzas y la geometría, se pueden
estimar los esfuerzos, las deformaciones y defle-
xiones en dichos componentes.
Conocido lo anterior, se definen materiales y for-
mas de procesamiento, se anticipan eventuales
modos y condiciones de falla.
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36. FACTORES EN COMPROMISO
Un ejemplo. La operación de la mayoría de los
reactores nucleares requiere 235U (U enriquecido).
El método de enriquecimiento más utilizado en la
industria del combustible nuclear es el de ultra-
centrifugación gaseosa.
Cada unidad de una planta es un cilindro rotatorio,
por el que fluye UF6 en contracorriente (térmica-
mente asistida). Este gas es una mezcla de 238UF6
(99.3% en la base de una cascada) y 235UF6 (0.7%
al inicio). Un reactor típico requiere 235UO2 al 3-5%.
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37. FACTORES EN COMPROMISO
Al girar ese rotor, el 238UF6 (más pesado) tiende a
la periferia, dejando más 235UF6 al centro.
La selectividad (a) define el tamaño de la planta:
3·w2·(a2-b2)
a = e 2·R·T
La diferencia de masa es de sólo 3 uma. Luego, la
principal variable es la velocidad rotacional (w),
unas 30 mil rpm. El gas está en vacío y debe ser
puro, que obliga el uso de descansos magnéticos.
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38. FACTORES EN COMPROMISO
Si tomamos un elemento de rotor (dm) y
lo hacemos girar. dFc v = w·r
r
dFr = sfdrdz sen(df/2) dr
dz df
dFc = w2r·dm r dFr
dFr
dm = r rdrdzdf  dFc = w2r r2drdzdf
Balance de fuerzas: dFc = 2 dFr
2sfdrdz sen(df/2) = w2r r2drdzdf
sf = w2r r2 ≈ sy
sy
La VMAX será f(r) vMAX = r
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39. FACTORES EN COMPROMISO
Además, este rotor hueco está sujeto a vibracio-
nes resonantes.
wi = li E a Con l : 22; 61.7; 121; 200; 298.2
i
2r L2
vri = wi r vMAX = wi a
L2 li E
=
a i wi 2r
L li 4 E 4 E
= = li
a i vMAX 2r 2sy
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40. FACTORES EN COMPROMISO
Algunos materiales:
Al HTS Ti MS GFRP CFRP
r 2800 7800 4600 7800 1800 1600
sy 450 1380 900 1930 500 830
E 71000 207000 114000 207000 72400 85000
vMAX 401 421 442 497 527 720
14.0 13.8 13.2 12.7 13.7 12.5
23.4 23.1 22.2 21.3 22.9 21.0
L
32.8 32.4 31.0 29.8 32.1 29.4
ai 42.1 41.6 39.9 38.3 41.3 37.8
51.5 50.8 48.7 46.7 50.4 46.2
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41. FACTORES EN COMPROMISO
El dilema del ingeniero mecánico en este caso es
que el costo de la planta (de capital y operación)
baja con menos unidades grandes (escala).
Eso se logra con una mayor selectividad (a) lo que
exige mayor velocidad rotacional (w) o tangencial
(vr), y cuyo máximo está acotado por la densidad
(r) del rotor. Por otra parte, la capacidad unitaria
mejora con la altura de la centrífuga, que está limi-
tado por resonancias, lo que define la resistencia
a la fluencia (sY) y la densidad (r): Este dilema es
común en cualquier campo y desafía al diseñador.
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42. FACTORES EN COMPROMISO
El diseño de máquinas suele adoptar factores de
seguridad y códigos.
Los segundos son factores de incertidumbre, que
amplifican una dimensión o reducen un esfuerzo
admisible. La magnitud del factore depende de la
disponibilidad de información, las condiciones de
uso de las partes y los modelos utilizados para el
dimensionamiento.
Los primeros son recomendaciones y guías para
prevenir errores. Algunos ya incorporan márgenes
de seguridad adoptados en cierta localidad.
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43. CONCLUSIONES
El diseño es un poco de arte e ingeniería, que se
beneficia de la creatividad de su diseñador.
El diseño es un proceso –sistemático, creativo e
iterativo- que conduce a satisfacer una necesidad
real, holística o utópica. Este proceso puede ser
simple o complejo según la aplicación (i.e. Space
Shuttle o una microbomba) y la severidad de las
restricciones impuestas.
En las próximas sesiones veremos en detalle el
proceso de desarrollo de productos.
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44. CONCLUSIONES
El diseño mecánico es un proceso aplicado a la
creación, dimensionamiento o selección de partes
y piezas que interactúan en un sistema para pro-
veer una actividad, relacionada preferentemente
con trabajo y movimiento.
El diseño mecánico implica adoptar una filosofía
que prioriza factores en compromiso, con lo cual
se obtienen dispositivos de diferente desempeño
y costo de aplicación, según los objetivos del di-
señador (directorio de la empresa) y la demanda
del mercado.
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