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​ = 32N2​ = 36

Un motor de 4 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 32 dientes, que engrana con una rueda de 36 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 32N2 = 36η = 95%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 800 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 80 mm y una polea de 200 mm cuyos centros están separados 800 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 80 mmd2 = 200 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 400 N·mABC2,5 m3 m

Un eje macizo escalonado de aluminio está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 60 mm y una longitud de 2,5 m; el tramo BC tiene un diámetro de 50 mm y una longitud de 3 m. En el extremo libre C actúa un par de 400 N·m. Halla el ángulo de torsión φC del extremo C, en grados.

T = 400 N·md1 = 60 mm, L1 = 2,5 md2 = 50 mm, L2 = 3 mG = 26 GPa
φC = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?30 kW, 1800 rpm

Un eje hueco debe transmitir 30 kW a 1800 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,6 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 50 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 30 kWN = 1800 rpmdi/do = 0,6τallow = 50 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 10σy​ = 100τxy​ = 60MPa

En un punto σₓ = 10 MPa, σᵧ = 100 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 = 10 MPaσy = 100 MPaτxy = 60 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 110σy​ = 30τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = 30 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 25° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 110 MPaσy = 30 MPaτxy = 60 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
80 kNØ2070 GPaØ80/50500 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 70 GPa). Ambos miden 500 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 80 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 80 kNbarra: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
100 kN12600 mm300 mmØ40Ø60σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 60 mm, longitud 300 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, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø60 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 m25 × 100 mmsección

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

L = 4 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 40 kNL = 6 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y articulado arriba. Debe soportar 40 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 40 kNn = 3L = 6 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 200 kN/mc = 520 N·s/mm = 15 kg

Una masa de 15 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 200 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 520 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 15 kgk = 200 kN/mc = 520 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 50k3​ = 10m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 10 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 50 kN/m y k₂ = 50 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 = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 28,15 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 = 26,34·36/32·0,95 = 28,15 N·m

Respuesta

T2 = 28,15 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 171,4 °

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 la correa

asin(0,075) = 4,301°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·4,301 = 171,4°

Respuesta

θ = 171,4°
3.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 6,042 °

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.

Momentos polares

J1 = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Torsión de cada tramo

T = 400 N·m = 400000 N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 400000·2500/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,03023 rad
φBC = 400000·3000/(26000·613592) = 0,07522 rad

Torsión total

φC = 0,03023 + 0,07522 = 0,1054 rad = 6,042°

Respuesta

φC = 6,042°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 26,51 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 30000/188,5 = 159,2 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 159,2 N·m = 159155 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·159155/(π·50·0,8704)) = 26,51 mm
di = 0,6·26,51 = 15,9 mm

Respuesta

do = 26,51 mm

Un eje macizo necesitaría d = 25,31 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = 18,43 °

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 = 60/75 = 0,8, sin 2θs = −(−45)/75 = 0,6
2θs = atan2(45, 60) = 36,87°

Ángulo en el elemento

θs = 18,43°
comprobación: θs − θp = 18,43 − 63,43 = −45°

Respuesta

θs = 18,43°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 141,7 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 = 70 + 40·0,6428 + 60·0,766 = 141,7 MPa

Respuesta

σθ = 141,7 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,1443 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·3063 = 2,772 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 80000·500/2,772 × 10⁸ = 0,1443 mm

Respuesta

δ = 0,1443 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 21,63 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 = 200000·1257/600 = 418879 N/mm
k₂ = 70000·2827/300 = 659734 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 100000·659734/1,079 × 10⁶ = 61165 N

Tensión

σ2 = 61165/2827 = 21,63 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 21,63 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 4,016 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·4000 = 8000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/8000² = 4016 N = 4,016 kN

Respuesta

Pcr = 4,016 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 68,37 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 = 3·40000 = 120000 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 68,37 mm

Respuesta

d = 68,37 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 245,7, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1501

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·√(200000·15) = 3464 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 520/3464 = 0,1501

Respuesta

ζ = 0,1501

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,786 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 = 50 + 50 = 100 kN/m
keq = 100·10/(100 + 10) = 9,091 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(9091/5) = 42,64 rad/s
fn = 42,64/(2π) = 6,786 Hz

Respuesta

fn = 6,786 Hz

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