Diseño de máquinas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Engranajes y trenes de engranajes

Engranajes en contacto
n1·N1 = n2·N2
Par
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potencia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Tren compuesto
relación total = producto de las relaciones de cada etapa

Torsión de ejes

Tensión cortante
τ = T·r/J
Eje macizo
J = πd⁴/32
Eje hueco
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ángulo de torsión
φ = TL/(GJ)
Potencia
P = T·ω = 2πnT/60

Método

  1. Halla el momento polar de inercia: J = πd⁴/32 para un eje macizo.
  2. Tensión tangencial en la superficie: τ = T·r/J, con r el radio exterior.
  3. Ángulo de torsión: φ = TL/(GJ) en radianes.
  4. Si te dan la potencia, halla primero el par con P = T·ω, ω = 2πn/60.

Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Centro
C = (σx + σy)/2
Radio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensiones principales
σ1,2 = C ± R
Dirección principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Método

  1. Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
  4. Los ángulos en el círculo son el doble que los ángulos en el elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tensión y deformación axial

Tensión normal
σ = F/A
Deformación
ε = ΔL/L
Ley de Hooke
σ = E·ε
Alargamiento
ΔL = FL/(EA)
Deformación térmica
εT = α·ΔT

Pandeo de pilares

Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Factor de longitud de pandeo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 empotrado–empotrado, 0,7 empotrado–articulado, 2 empotrado–libre
Tensión crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibraciones mecánicas

Frecuencia natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir de la deflexión estática
ωn = √(g/δst)
Amortiguamiento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Factor de amortiguamiento
ζ = c/cc
Frecuencia amortiguada
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Muelles en paralelo
k = k1 + k2
Muelles en serie
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Problemas de práctica

1.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 32N2​ = 50

Un motor de 1,1 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 32 dientes, que engrana con una rueda de 50 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 32N2 = 50η = 95%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 80 mm y una polea de 300 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 80 mmd2 = 300 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 60, di​ = 36 mmT = 2000 N·mL = 0,8 m

Un eje hueco de aluminio (diámetro exterior 60 mm, diámetro interior 36 mm, longitud 0,8 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 2000 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 2000 N·mdo = 60 mmdi = 36 mmL = 0,8 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?15 kW, 1450 rpm

Un eje hueco debe transmitir 15 kW a 1450 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,5 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 50 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 15 kWN = 1450 rpmdi/do = 0,5τallow = 50 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −30σy​ = −20τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −30 MPa, σᵧ = −20 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = −30 MPaσy = −20 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie superior del eje

Un eje macizo de 30 mm de diámetro soporta un momento flector de 1000 N·m junto con un par de 100 N·m. En la superficie superior, donde la tensión de flexión es de tracción y máxima, halla la tensión principal mayor σ1.

d = 30 mmM = 1000 N·mT = 100 N·m
σ1 = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmCobre3 mP = 70 kN

Halla la deformación axial ε en la barra de cobre, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).

P = 70 kNd = 25 mmL = 3 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø30100 GPaØ80/50500 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 160 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 60 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 md = 20 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y articulado arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 2 mE = 200 GPa (acero)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 4 md = 25 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (acero)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx12 mm1 ciclo4,6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 12 mm le sigue un ciclo después un pico de 4,6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 12 mmx1 = 4,6 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 12k3​ = 40m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 40 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 12 kN/m y k₂ = 12 kN/m; la barra se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles y de la barra. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 3,622 N·m

Trenes de engranajes: los engranajes que engranan entre sí tienen la misma velocidad en los dientes, así que n₁·N₁ = n₂·N₂: el engranaje con menos dientes gira más rápido. Los engranajes montados en un mismo eje giran a la misma velocidad. La potencia se transmite (menos las pérdidas), así que el par aumenta cuando la velocidad disminuye: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, y P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Par del motor

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Respuesta

T1 = 3,622 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 154,6 °

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Ángulo de la correa

asin(0,22) = 12,71°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·12,71 = 154,6°

Respuesta

θ = 154,6°
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 3,184 °

Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τmax = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(do⁴ − di⁴)/32 para uno hueco. El ángulo de torsión es φ = TL/(GJ) en radianes. Potencia y par se relacionan por P = T·ω.

Momento polar de inercia

J = π(60⁴ − 36⁴)/32 = 1,107 × 10⁶ mm⁴

Ángulo de torsión

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 2 × 10⁶·800/(26000·1,107 × 10⁶) = 0,05557 rad
φ = 0,05557·180/π = 3,184°

Respuesta

φ = 3,184°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 22,06 mm

Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τmax = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(do⁴ − di⁴)/32 para uno hueco. El ángulo de torsión es φ = TL/(GJ) en radianes. Potencia y par se relacionan por P = T·ω.

Par

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 98,79 N·m = 98786 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·98786/(π·50·0,9375)) = 22,06 mm
di = 0,5·22,06 = 11,03 mm

Respuesta

do = 22,06 mm

Un eje macizo necesitaría d = 21,59 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 47,38 °

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.

στxyCσ1​σ2​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr, el punto x está a un ángulo 2θp del eje σ; el cuadrante se deduce de los signos de σₓ − σᵧ y τₓᵧ.

2θp = atan2(2·60, −30 − −20) = 94,76°

Ángulo en el elemento

θp = 47,38°

Respuesta

θp = 47,38°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ1 = 378,2 MPa

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.

Tensiones en la superficie

σ = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·30³) = 377,3 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·100000/(π·30³) = 18,86 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 188,6 MPa
R = √(188,6² + 18,86²) = 189,6 MPa
σ1 = C + R = 378,2 MPa
σ2 = C − R = −0,9408 MPa

Respuesta

σ1 = 378,2 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 1219 µε

Ley de Hooke: en el rango elástico σ = E·ε. Junto con σ = P/A y ε = δ/L se obtiene δ = PL/(AE).

Tensión

A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 70·1000/490,9 = 142,6 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 142,6/117000 = 0,001219 = 1219 µε

Respuesta

ε = 1219 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 268,6 kN

Dos materiales: en serie (uno tras otro) cada tramo soporta la misma fuerza y los alargamientos se suman: δ = P·Σ L/(E·A). En paralelo (lado a lado entre placas rígidas) ambas partes se acortan lo mismo, así que sus deformaciones unitarias son iguales: la parte más rígida toma la mayor porción, Pi = P·EiAi/ΣEA, y σi = Ei·ε. Una barra sujeta entre dos muros rígidos con una carga en la unión es estáticamente indeterminada: los dos tramos se reparten la carga en proporción a su rigidez k = EA/L.

Áreas

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·3063 = 4,477 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,0008, 0,0006) = 0,0006 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·4,477 × 10⁸ = 268606 N = 268,6 kN

Respuesta

Pmax = 268,6 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 7,91 kN

Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.

Menor momento de inercia

Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/1400² = 7910 N = 7,91 kN

Respuesta

Pcr = 7,91 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 19,28 MPa

Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.

Menor momento de inercia

Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/6,25 = 320

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/320² = 19,28 MPa

Respuesta

σcr = 19,28 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1509

Vibración libre de un sistema masa–muelle: la pulsación natural sin amortiguamiento es ωn = √(k/m) en rad/s, y fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortiguador viscoso c da el factor de amortiguamiento ζ = c/cc, con amortiguamiento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema subamortiguado (ζ < 1) oscila a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Los muelles en paralelo se suman, k = k₁ + k₂; los muelles en serie se suman como inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Decremento logarítmico

δ = (1/1)·ln(12/4,6) = 0,9589

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9589/√(39,48 + 0,9194) = 0,1509

Respuesta

ζ = 0,1509
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 8,717 Hz

Vibración libre de un sistema masa–muelle: la pulsación natural sin amortiguamiento es ωn = √(k/m) en rad/s, y fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortiguador viscoso c da el factor de amortiguamiento ζ = c/cc, con amortiguamiento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un sistema subamortiguado (ζ < 1) oscila a ωd = ωn·√(1 − ζ²). Los muelles en paralelo se suman, k = k₁ + k₂; los muelles en serie se suman como inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidez equivalente

Solo k1 y k2 están en paralelo. Ese par está en serie con k3, así que combínalos como inversos.

k12 = 12 + 12 = 24 kN/m
keq = 24·40/(24 + 40) = 15 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(15000/5) = 54,77 rad/s
fn = 54,77/(2π) = 8,717 Hz

Respuesta

fn = 8,717 Hz

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