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
d1​ = 120 mmd2​ = 450 mm2880 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 2880 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 2,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 2880 rpmd1 = 120 mmd2 = 450 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 1000 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 2880 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 1000 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 600 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmd2 = 500 mmC = 1000 mmμ = 0,25T1 = 600 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
T = 400 N·md = 25 mmL = 0,5 mφ = ?

Un eje macizo de aluminio está empotrado en la pared y se tuerce con un par T en su extremo libre. Halla el ángulo de torsión φ del extremo libre, en grados.

T = 400 N·md = 25 mmL = 0,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 25 mm

Un eje hueco transmite 100 kW a 1500 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 100 kWN = 1500 rpmdo = 50 mmdi = 25 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 70σy​ = −30MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 70 MPa y σᵧ = −30 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 110 MPa?

σx = 70 MPaσy = −30 MPaσ1 = 110 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 110σy​ = 80τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = 80 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 110 MPaσy = 80 MPaτxy = −30 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 20 mmCobre0,5 mP = 110 kN

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

P = 110 kNd = 20 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 25 mmAluminio2 mØ 12 mmAcero2 mP = 50 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 = 50 kNtramo 1: Ø25 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 2 m, acero (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 m50 × 60 mmsección

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

L = 4 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 50 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio 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 = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 4 kN/mζ = 0,45m = 40 kg

Una masa de 40 kg sobre un muelle con una rigidez de 4 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,45. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 40 kgk = 4 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 25m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 30 kN/m y el inferior k₂ = 25 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 25 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 748,8 rpm

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.

Velocidad sin deslizamiento

2880·120/450 = 768 rpm

Con deslizamiento

n2 = 768·0,975 = 748,8 rpm

Respuesta

n2 = 748,8 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 3,57 kW

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 contacto

θ = 2,718 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,6796 = 1,973, T₂ = 600/1,973 = 304,1 N

Potencia

P = (600 − 304,1)·12,06 = 3,57 kW

Respuesta

P = 3,57 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 11,49 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 400·1000·500/(26000·38350) = 0,2006 rad
φ = 0,2006·180/π = 11,49°

Respuesta

φ = 11,49°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 27,67 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 100000/157,1 = 636,6 N·m

Momento polar de inercia

J = π(50⁴ − 25⁴)/32 = 575243 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 636620·25/575243 = 27,67 MPa

Respuesta

τmax = 27,67 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 74,83 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.

Radio necesario

C = (70 + (−30))/2 = 20 MPa
R = σ1 − C = 110 − 20 = 90 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(90² − 50²) = 74,83 MPa

Respuesta

τxy = 74,83 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 87,21 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 = 95 + 15·0,766 + −30·0,6428 = 87,21 MPa

Respuesta

σθ = 87,21 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,496 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 110·1000/314,2 = 350,1 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 350,1/117000 = 0,002993 = 2993 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,002993·500 mm = 1,496 mm

Respuesta

δ = 1,496 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 442,1 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 101,9 MPa
σ2 = 442,1 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 442,1 MPa

Respuesta

σmax = 442,1 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 6,747 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·4000 = 8000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/8000² = 6747 N = 6,747 kN

Respuesta

Pcr = 6,747 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 35,25 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/12,5 = 140

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Respuesta

σcr = 35,25 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,421 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(4000/40) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,45²) = 1,421 Hz

Respuesta

fd = 1,421 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,717 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

Los muelles en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/30 + 1/25 → keq = 30·25/(30 + 25) = 13,64 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13636/25) = 23,35 rad/s
fn = 23,35/(2π) = 3,717 Hz

Respuesta

fn = 3,717 Hz

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