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​ = 25N2​ = 60

Un motor de 0,75 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 25 dientes, que engrana con una rueda de 60 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 0,75 kWn1 = 960 rpmN1 = 25N2 = 60η = 95%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 25B = 60C = 24D = 40

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (25 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (60 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (40 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 25B = 60C = 24D = 40
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = 12 mmT = 20 N·m300 mmφ = 2,11°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 12 mm de diámetro se tuerce con un par de 20 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 300 mm giran 2,11° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 20 N·md = 12 mmL = 300 mmφ = 2,11°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 80 mm, di​ = 64 mm

Un eje hueco transmite 75 kW a 750 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 75 kWN = 750 rpmdo = 80 mmdi = 64 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 110σy​ = −20τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 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 = 110 MPaσy = −20 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 10σy​ = 20τxy​ = −60MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 10 MPa, σᵧ = 20 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 10 MPaσy = 20 MPaτxy = −60 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmAluminio0,5 mP = 95 kN

Halla el alargamiento δ de la barra de aluminio bajo la carga axial.

P = 95 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
20 kN12500 mm300 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) y un tramo de cobre (diámetro 40 mm, longitud 300 mm, E = 120 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 20 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø40 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2,5 m30 × 50 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 = 2,5 mE = 200 GPa (acero)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 60 mmsección

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (acero)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx30 mm5 ciclos11,7 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 30 mm le sigue 5 ciclos después un pico de 11,7 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 30 mmx5 = 11,7 mmn = 5
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 100k3​ = 50m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga del muelle k₃ = 50 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 20 kN/m y k₂ = 100 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 = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 17,01 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/100,5 = 7,46 N·m

Par de salida

T2 = 7,46·60/25·0,95 = 17,01 N·m

Respuesta

T2 = 17,01 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 725 rpm

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.

Primera etapa

nB = 2900·25/60 = 1208 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1208·24/40 = 725 rpm

Respuesta

nout = 725 rpm

relación total = 4 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 80,03 GPa

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 y ángulo

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 2,11·π/180 = 0,03683 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·300/(2036·0,03683) = 80033 MPa
G = 80,03 GPa

Respuesta

G = 80,03 GPa

Compara: acero ≈ 80 GPa, latón ≈ 39 GPa, aluminio ≈ 26 GPa.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 16,09 MPa

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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 75000/78,54 = 954,9 N·m

Momento polar de inercia

J = π(80⁴ − 64⁴)/32 = 2,374 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 954930·40/2,374 × 10⁶ = 16,09 MPa

Respuesta

τmax = 16,09 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 21,35 °

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, 110 − −20) = 42,71°

Ángulo en el elemento

θp = 21,35°

Respuesta

θp = 21,35°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 105,4 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. Criterios de plastificación: von Mises predice la plastificación cuando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) alcanza σY; Tresca, cuando la tensión cortante máxima absoluta alcanza σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = 15 MPa, R = 60,21 MPa
σ1 = 75,21 MPa, σ2 = −45,21 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(75,21² − 75,21·(−45,21) + (−45,21)²) = 105,4 MPa

Respuesta

σvM = 105,4 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 3,375 mm

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 95·1000/201,1 = 472,5 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for aluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 472,5/70000 = 0,00675 = 6750 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,00675·500 mm = 3,375 mm

Respuesta

δ = 3,375 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 11,44 MPa

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.

Rigideces

k₁ = 200000·490,9/500 = 196350 N/mm
k₂ = 120000·1257/300 = 502655 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 20000·502655/699004 = 14382 N

Tensión

σ2 = 14382/1257 = 11,44 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 11,44 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 72,51 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

Un rectángulo pandea respecto a su eje débil, usando la dimensión menor al cubo.

Imin = h·b³/12 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/1750² = 72511 N = 72,51 kN

Respuesta

Pcr = 72,51 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 145 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/15 = 116,7

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/116,7² = 145 MPa

Respuesta

σcr = 145 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,02996

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 = (1/5)·ln(30/11,7) = 0,1883

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1883/√(39,48 + 0,03547) = 0,02996

Respuesta

ζ = 0,02996
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,686 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 = 20 + 100 = 120 kN/m
keq = 120·50/(120 + 50) = 35,29 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(35294/20) = 42,01 rad/s
fn = 42,01/(2π) = 6,686 Hz

Respuesta

fn = 6,686 Hz

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