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​ = 30, m = 5 mm

Un motor de 4 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 30 dientes y módulo 5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 4 kWn = 1450 rpmN1 = 30m = 5 mm
Ft = N
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Ns​ = 12corona fijaNp​ = 15nc​ = ?

En un tren epicicloidal el planeta (sol) tiene 12 dientes y cada satélite tiene 15 dientes. La corona se mantiene fija y el planeta se acciona a 600 rpm. Halla la velocidad nc del portasatélites.

Ns = 12Np = 15ns = 600 rpm
nc = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 30 mmd2​ = 20 mmT = 200 N·mABC3 m1,5 m

Un eje macizo escalonado de aluminio está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 30 mm y una longitud de 3 m; el tramo BC tiene un diámetro de 20 mm y una longitud de 1,5 m. En el extremo libre C actúa un par de 200 N·m. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

T = 200 N·md1 = 30 mm, L1 = 3 md2 = 20 mm, L2 = 1,5 m
τmax = MPa
4.Torsión de ejesDifícil
d = 30 mmT0​ = 500 N·mACBa = 0,8 mb = 1,5 m

Un eje macizo de acero de 30 mm de diámetro está empotrado en muros rígidos en sus dos extremos A y B. Se aplica un par de 500 N·m en C, a 0,8 m de A y a 1,5 m de B. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 30 mmT0 = 500 N·ma = 0,8 mb = 1,5 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −50σy​ = 50τxy​ = 60MPa

En un punto σₓ = −50 MPa, σᵧ = 50 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θs, entre −90° y 90°, desde el eje x hasta la normal del plano en el que la tensión cortante tiene su valor positivo máximo +R (cortante positivo en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = 50 MPaτxy = 60 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 150σy​ = 110τxy​ = 20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 150 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 50° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 150 MPaσy = 110 MPaτxy = 20 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
100 kNØ25100 GPaØ120/50800 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 50 mm, E = 100 GPa). Ambos miden 800 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 100 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 100 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø40110 GPaØ120/60300 mm

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 150 MPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 60 mm, E = 110 GPa, tensión admisible 80 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m25 × 80 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 2 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 145 kNL = 2 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 145 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 145 kNn = 2L = 2 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 50 kN/mc = 360 N·s/mm = 100 kg

Una masa de 100 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 50 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 360 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 100 kgk = 50 kN/mc = 360 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 30m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 25 kN/m y k₂ = 30 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 351,2 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Par en el piñón

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 5·30 = 150 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·26,34/0,15 = 351,2 N

Respuesta

Ft = 351,2 N
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nc = 133,3 rpm

Trenes epicicloidales: las velocidades del planeta, la corona y el portasatélites están relacionadas por la ecuación de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: vistos desde el portasatélites, el conjunto es un tren ordinario con los satélites como ruedas locas. Al fijar un elemento, el conjunto se convierte en un reductor de una sola relación.

Dientes de la corona

Nr = Ns + 2·Np = 12 + 2·15 = 42

Ecuación de Willis con la corona fija

Haz nr = 0 y despeja la velocidad del portasatélites.

(600 − nc)/(0 − nc) = −42/12
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 600·12/54 = 133,3 rpm

Respuesta

nc = 133,3 rpm

El portasatélites gira en el mismo sentido que el planeta.

3.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 127,3 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.

Tensión en cada tramo

T = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·30³) = 37,73 MPa
τBC = 16·200000/(π·20³) = 127,3 MPa

Respuesta

τmax = 127,3 MPa
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 61,51 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. Cuando ambos extremos están empotrados, la estática por sí sola solo da TA + TB = T₀; la segunda ecuación es la compatibilidad (igual torsión de ambas partes en la sección cargada).

Equilibrio y compatibilidad

TA + TB = 500
TA·a = TB·b
TA = 500·1,5/2,3 = 326,1 N·m
TB = 500·0,8/2,3 = 173,9 N·m

Tensión cortante máxima

Manda el mayor de los dos pares (mismo diámetro).

τmax = 16·326087/(π·30³) = 61,51 MPa

Respuesta

τmax = 61,51 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = 19,9 °

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.

στxyCτmax​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr el punto más alto (+R) está a 90° del punto principal σ₁; en el elemento eso son 45°.

cos 2θs = 60/78,1 = 0,7682, sin 2θs = −(−50)/78,1 = 0,6402
2θs = atan2(50, 60) = 39,81°

Ángulo en el elemento

θs = 19,9°
comprobación: θs − θp = 19,9 − 64,9 = −45°

Respuesta

θs = 19,9°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 146,2 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.

Ecuación de transformación

σθ = 130 + 20·−0,1736 + 20·0,9848 = 146,2 MPa

Respuesta

σθ = 146,2 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,07746 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·9346 = 1,033 × 10⁹ N

Acortamiento

δ = 100000·800/1,033 × 10⁹ = 0,07746 mm

Respuesta

δ = 0,07746 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 861,4 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·8482 = 1,184 × 10⁹ N

Deformación determinante

ε = min(0,00075, 0,0007273) = 0,0007273 (bronce)

Mayor carga

Pmax = 0,0007273·1,184 × 10⁹ = 861368 N = 861,4 kN

Respuesta

Pmax = 861,4 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 51,4 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·2000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·104167/2000² = 51404 N = 51,4 kN

Respuesta

Pcr = 51,4 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 83,19 mm

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.

Carga crítica necesaria

Pcr = n·P = 2·145000 = 290000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·290000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 83,19 mm

Respuesta

d = 83,19 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 192,3, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,0805

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.

Amortiguamiento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·100) = 4472 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 360/4472 = 0,0805

Respuesta

ζ = 0,0805

ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 55 kN/m

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

Los muelles uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 25 + 30 = 55 kN/m

Respuesta

keq = 55 kN/m

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