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​ = 200 mmd2​ = 250 mm960 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 480 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 200 mm a 960 rpm. La tensión es de 1200 N en el ramal tenso y de 480 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 200 mmn1 = 960 rpmT1 = 1200 NT2 = 480 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 50C = 48D = 50

Un motor de 5,5 kW a 960 rpm acciona la rueda A (20 dientes), que engrana con la rueda B (50 dientes). La rueda C (48 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (50 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 5,5 kWnin = 960 rpmA = 20B = 50C = 48D = 50ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 60 mmd2​ = 30 mmT = 750 N·mABC0,8 m0,5 m

Un eje macizo escalonado de aluminio está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 60 mm y una longitud de 0,8 m; el tramo BC tiene un diámetro de 30 mm y una longitud de 0,5 m. En el extremo libre C actúa un par de 750 N·m. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

T = 750 N·md1 = 60 mm, L1 = 0,8 md2 = 30 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 50 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 50 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 50 kWN = 1500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 0σy​ = 40τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 0 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 0 MPaσy = 40 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 30σy​ = −80τxy​ = −10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 30 MPa, σᵧ = −80 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 15° en sentido antihorario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = 30 MPaσy = −80 MPaτxy = −10 MPaθ = 15°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 30 mmAluminio1,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNd = 30 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
100 kN12500 mm500 mmØ30Ø40σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 40 mm, longitud 500 mm, E = 70 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 100 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø40 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 md = 40 mmsección

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

L = 2 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 50 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 = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 5 kN/mζ = 0,6m = 40 kg

Una masa de 40 kg sobre un muelle con una rigidez de 5 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,6. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 40 kgk = 5 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 10m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 50 kN/m y el inferior k₂ = 10 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 7,238 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.

Velocidad de la correa

v = 10,05 m/s

Potencia

P = (1200 − 480)·10,05 = 7238 W = 7,238 kW

Respuesta

P = 7,238 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 134,1 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.

Velocidad de salida

nout = 960·(20/50)·(48/50) = 368,6 rpm
ωout = 2π·368,6/60 = 38,6 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 5500·0,97² = 5175 W
Tout = Pout/ωout = 5175/38,6 = 134,1 N·m

Respuesta

Tout = 134,1 N·m
3.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 141,5 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
τAB = 16·750000/(π·60³) = 17,68 MPa
τBC = 16·750000/(π·30³) = 141,5 MPa

Respuesta

τmax = 141,5 MPa
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 31,89 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 50000/157,1 = 318,3 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·318310/(π·50)) = 31,89 mm

Respuesta

d = 31,89 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 22,36 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.

στxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((0 − 40)/2)² + 10²) = 22,36 MPa

Respuesta

τmax = 22,36 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = −36,16 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

τθ = −55·0,5 + −10·0,866 = −36,16 MPa

Respuesta

τθ = −36,16 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 2122 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 105·1000/706,9 = 148,5 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for aluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 148,5/70000 = 0,002122 = 2122 µε

Respuesta

ε = 2122 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 30,52 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 = 200000·706,9/500 = 282743 N/mm
k₂ = 70000·1257/500 = 175929 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 100000·175929/458673 = 38356 N

Tensión

σ2 = 38356/1257 = 30,52 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 30,52 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 248,1 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1000² = 248050 N = 248,1 kN

Respuesta

Pcr = 248,1 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 34,27 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 = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/12,5 = 240

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/240² = 34,27 MPa

Respuesta

σcr = 34,27 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,424 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 = √(5000/40) = 11,18 rad/s
fn = 11,18/(2π) = 1,779 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,779·√(1 − 0,6²) = 1,424 Hz

Respuesta

fd = 1,424 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 8,333 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/50 + 1/10 → keq = 50·10/(50 + 10) = 8,333 kN/m

Respuesta

keq = 8,333 kN/m

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