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​ = 36N2​ = 80

Un motor de 4 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 80 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 36N2 = 80η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 18B = 50C = 16D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (18 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (50 dientes). El engranaje C (16 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 18B = 50C = 16D = 45
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = 15 mmT = 50 N·m400 mmφ = 5,91°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 15 mm de diámetro se tuerce con un par de 50 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 400 mm giran 5,91° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 50 N·md = 15 mmL = 400 mmφ = 5,91°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 10 kW a 750 rpm sin que la tensión cortante supere 75 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 10 kWN = 750 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 120σy​ = 80τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 120 MPa, σᵧ = 80 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 = 120 MPaσy = 80 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −40σy​ = 60τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −40 MPa, σᵧ = 60 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 15° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −40 MPaσy = 60 MPaτxy = 10 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12500 mm200 mmØ40Ø60δ = 0,2 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de latón (diámetro 60 mm, longitud 200 mm, E = 100 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,2 mm en total.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: latón, Ø60 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmAluminio2 mØ 16 mmLatón0,5 mP = 15 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla la tensión normal máxima σmax en la barra.

P = 15 kNtramo 1: Ø35 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 0,5 m, latón (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 m20 × 60 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 = 5 mE = 200 GPa (acero)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 2 md = 60 mmsección

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

L = 2 mE = 200 GPa (acero)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 20 N·s/mm = 5 kg

Una masa de 5 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 20 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 5 kgk = 12 kN/mc = 20 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 30k3​ = 15m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 15 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 10 kN/m y k₂ = 30 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 = 100 kgk1 = 10 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 58,54 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Par de salida

T2 = 26,34·80/36·1 = 58,54 N·m

Respuesta

T2 = 58,54 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 192 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 = 1500·18/50 = 540 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 540·16/45 = 192 rpm

Respuesta

nout = 192 rpm

relación total = 7,813 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 39,01 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·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 5,91·π/180 = 0,1031 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 50 N·m = 50000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 50000·400/(4970·0,1031) = 39012 MPa
G = 39,01 GPa

Respuesta

G = 39,01 GPa

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

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 20,52 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·75)) = 20,52 mm

Respuesta

d = 20,52 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 35,78 °

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, 120 − 80) = 71,57°

Ángulo en el elemento

θp = 35,78°

Respuesta

θp = 35,78°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −28,3 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 = 10 + −50·0,866 + 10·0,5 = −28,3 MPa

Respuesta

σθ = −28,3 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 74,16 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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·2827) = 7,074 × 10⁻⁷ mm/N

Carga

P = 0,2/2,697 × 10⁻⁶ = 74162 N = 74,16 kN

Respuesta

P = 74,16 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 74,6 MPa

Elementos con carga axial: cada tramo prismático cumple δ = PL/(AE). En tramos en serie los alargamientos se suman.

La misma fuerza en ambos tramos

El extremo libre soporta P, así que cada sección de la barra soporta el mismo esfuerzo axial P. Solo cambian las áreas y los materiales.

A1 = π·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 15,59 MPa
σ2 = 74,6 MPa

Tensión máxima

El tramo más delgado tiene menos área, así que soporta la tensión mayor.

σmax = 74,6 MPa

Respuesta

σmax = 74,6 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 6,445 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/3500² = 6445 N = 6,445 kN

Respuesta

Pcr = 6,445 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 27,76 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 = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/15 = 266,7

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/266,7² = 27,76 MPa

Respuesta

σcr = 27,76 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04082

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·√(12000·5) = 489,9 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 20/489,9 = 0,04082

Respuesta

ζ = 0,04082

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 1,662 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 = 10 + 30 = 40 kN/m
keq = 40·15/(40 + 15) = 10,91 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10909/100) = 10,44 rad/s
fn = 10,44/(2π) = 1,662 Hz

Respuesta

fn = 1,662 Hz

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