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​ = 160 mmd2​ = 450 mm1450 rpmn2​ = ?

Una polea de 160 mm a 1450 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1450 rpmd1 = 160 mmd2 = 450 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 20C = 32D = 80

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (20 dientes). El engranaje C (32 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (80 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 16B = 20C = 32D = 80
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 200 N·md = 20 mmL = 1,2 mφ = ?

Un eje macizo de latón 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 = 200 N·md = 20 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?15 kW, 1000 rpm

Un eje hueco debe transmitir 15 kW a 1000 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 = 15 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,6τallow = 50 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −20σy​ = −80τxy​ = 30MPa

En un punto σₓ = −20 MPa, σᵧ = −80 MPa y τₓᵧ = 30 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 = −20 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 20 mm de diámetro soporta una fuerza axial de tracción de 110 kN junto con un par de 100 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión principal mayor σ1.

d = 20 mmF = 110 kNT = 100 N·m
σ1 = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 30 mmCobre0,5 mP = 40 kN

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

P = 40 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
30 kN12500 mm300 mmØ20Ø30σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 20 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 30 mm, longitud 300 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 30 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø30 mm, 300 mm, E = 110 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 md = 25 mmsección

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 140 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está articulado en ambos extremos. Debe soportar 140 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 140 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm2 ciclos3,7 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 3,7 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx2 = 3,7 mmn = 2
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 20m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 25 kN/m y el inferior k₂ = 20 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 494,9 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

1450·160/450 = 515,6 rpm

Con deslizamiento

n2 = 515,6·0,96 = 494,9 rpm

Respuesta

n2 = 494,9 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 460,8 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 = 1440·16/20 = 1152 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1152·32/80 = 460,8 rpm

Respuesta

nout = 460,8 rpm

relación total = 3,125 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 22,45 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1200/(39000·15708) = 0,3918 rad
φ = 0,3918·180/π = 22,45°

Respuesta

φ = 22,45°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 25,59 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 15000/104,7 = 143,2 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 143,2 N·m = 143239 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·143239/(π·50·0,8704)) = 25,59 mm
di = 0,6·25,59 = 15,36 mm

Respuesta

do = 25,59 mm

Un eje macizo necesitaría d = 24,44 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = −22,5 °

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 = 30/42,43 = 0,7071, sin 2θs = −30/42,43 = −0,7071
2θs = atan2(−30, 30) = −45°

Ángulo en el elemento

θs = −22,5°
comprobación: θs − θp = −22,5 − 22,5 = −45°

Respuesta

θs = −22,5°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ1 = 361,4 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.

Tensiones en la superficie

σ = F/A = 110000/(π·20²/4) = 110000/314,2 = 350,1 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·100000/(π·20³) = 63,66 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 175,1 MPa
R = √(175,1² + 63,66²) = 186,3 MPa
σ1 = C + R = 361,4 MPa
σ2 = C − R = −11,22 MPa

Respuesta

σ1 = 361,4 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,2418 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 40·1000/706,9 = 56,59 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 56,59/117000 = 0,0004837 = 483,7 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0004837·500 mm = 0,2418 mm

Respuesta

δ = 0,2418 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 28,58 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 = 200000·314,2/500 = 125664 N/mm
k₂ = 110000·706,9/300 = 259181 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 30000·259181/384845 = 20204 N

Tensión

σ2 = 20204/706,9 = 28,58 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 28,58 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 5,888 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/1500² = 5888 N = 5,888 kN

Respuesta

Pcr = 5,888 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 89,62 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 = 2,5·140000 = 350000 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·350000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 89,62 mm

Respuesta

d = 89,62 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 111,6, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1503

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/2)·ln(25/3,7) = 0,9553

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9553/√(39,48 + 0,9125) = 0,1503

Respuesta

ζ = 0,1503
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 7,503 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 = 1/25 + 1/20 → keq = 25·20/(25 + 20) = 11,11 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(11111/5) = 47,14 rad/s
fn = 47,14/(2π) = 7,503 Hz

Respuesta

fn = 7,503 Hz

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