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​ = 100 mmd2​ = 250 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 100 mm a 960 rpm acciona una polea de 250 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 100 mmd2 = 250 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 25C = 24D = 25

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (20 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (25 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (25 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 20B = 25C = 24D = 25
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 400 N·mL = 2 m

Un eje macizo de acero de 2 m de longitud transmite un par de 400 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 3°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 400 N·mL = 2 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 100 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 50 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 100 kWN = 1500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 150σy​ = 110τxy​ = −40MPa

En un punto σₓ = 150 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = −40 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 = 150 MPaσy = 110 MPaτxy = −40 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 90σy​ = 70τxy​ = 60MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 90 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 90 MPaσy = 70 MPaτxy = 60 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
200 kNØ25110 GPaØ120/50300 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 50 mm, E = 110 GPa). Ambos miden 300 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 200 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 200 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmCobre0,5 mØ 20 mmCobre0,5 mP = 25 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla el alargamiento total δ.

P = 25 kNtramo 1: Ø40 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m30 × 100 mmsección

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

L = 2 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 50 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 50 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 50 kNn = 3L = 2,5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm3 ciclos12,9 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 12,9 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx3 = 12,9 mmn = 3
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 15k3​ = 25m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga del muelle k₃ = 25 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 30 kN/m y k₂ = 15 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 = 25 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 376,3 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

960·100/250 = 384 rpm

Con deslizamiento

n2 = 384·0,98 = 376,3 rpm

Respuesta

n2 = 376,3 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1106 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 = 1440·20/25 = 1152 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1152·24/25 = 1106 rpm

Respuesta

nout = 1106 rpm

relación total = 1,302 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 37,35 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.

Momento polar necesario

T = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 400000·2000/(80000·0,05236) = 190986 mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 37,35 mm

Respuesta

d = 37,35 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 40,18 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 = 100000/157,1 = 636,6 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·636620/(π·50)) = 40,18 mm

Respuesta

d = 40,18 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = −76,72 °

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.

σxyCτmax​

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 = −40/44,72 = −0,8944, sin 2θs = −20/44,72 = −0,4472
2θs = atan2(−20, −40) = −153,4°

Ángulo en el elemento

θs = −76,72°
comprobación: θs − θp = −76,72 − (−31,72) = −45°

Respuesta

θs = −76,72°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 132,3 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. Criterios de plastificación: von Mises predice la plastificación cuando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) alcanza σY; Tresca, cuando la tensión cortante máxima absoluta alcanza σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = 80 MPa, R = 60,83 MPa
σ1 = 140,8 MPa, σ2 = 19,17 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(140,8² − 140,8·19,17 + 19,17²) = 132,3 MPa

Respuesta

σvM = 132,3 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,05327 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·9346 = 1,126 × 10⁹ N

Acortamiento

δ = 200000·300/1,126 × 10⁹ = 0,05327 mm

Respuesta

δ = 0,05327 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,4251 mm

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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 19,89 MPa
σ2 = 79,58 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 19,89·500/117000 = 0,08502 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 79,58·500/117000 = 0,3401 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,4251 mm

Respuesta

δ = 0,4251 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 79,31 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·225000/1400² = 79309 N = 79,31 kN

Respuesta

Pcr = 79,31 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 78,87 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 = 3·50000 = 150000 N
KL = 2·2500 = 5000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·5000²/(π³·200000))^(1/4) = 78,87 mm

Respuesta

d = 78,87 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 253,6, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,05993

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 = (1/3)·ln(40/12,9) = 0,3772

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3772/√(39,48 + 0,1423) = 0,05993

Respuesta

ζ = 0,05993
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,035 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 = 30 + 15 = 45 kN/m
keq = 45·25/(45 + 25) = 16,07 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(16071/25) = 25,35 rad/s
fn = 25,35/(2π) = 4,035 Hz

Respuesta

fn = 4,035 Hz

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