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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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​ = 125 mmd2​ = 450 mm1440 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 360 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 125 mm a 1440 rpm. La tensión es de 1200 N en el ramal tenso y de 360 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1200 NT2 = 360 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 25C = 40D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (12 dientes) del eje de entrada gira a 960 rpm y acciona la rueda B (25 dientes). La rueda C (40 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 307,2 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 960 rpmA = 12B = 25C = 40nout = 307,2 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
do​ = ?T = 2000 N·m

Un eje hueco debe transmitir un par de 2000 N·m. Su diámetro interior debe ser 0,7 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 60 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

T = 2000 N·mdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = 40 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 400 N·mABC1,5 m1,2 m

Un eje macizo de acero de 40 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 1,5 m de A, actúa un par de 750 N·m, y en el extremo libre C, 1,2 m más allá, actúa un par de 400 N·m en sentido contrario. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 40 mmTB = 750 N·mTC = 400 N·mAB = 1,5 mBC = 1,2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −80σy​ = 40τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −80 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

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

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 80 MPa, σᵧ = −10 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 250 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de Tresca (tensión cortante máxima).

σx = 80 MPaσy = −10 MPaτxy = −40 MPaσY = 250 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12500 mm200 mmØ40Ø60δ = 0,4 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de cobre (diámetro 60 mm, longitud 200 mm, E = 120 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,4 mm en total.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø60 mm, 200 mm, E = 120 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø4070 GPaØ100/70300 mm

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 250 MPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 70 GPa, tensión admisible 80 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 m50 × 80 mmsección

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

L = 6 mE = 200 GPa (acero)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 135 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 135 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 135 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mc = 880 N·s/mm = 15 kg

Una masa de 15 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 80 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 880 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 15 kgk = 80 kN/mc = 880 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 60k3​ = 15m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 15 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 40 kN/m y k₂ = 60 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 = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 7,917 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 = 9,425 m/s

Potencia

P = (1200 − 360)·9,425 = 7917 W = 7,917 kW

Respuesta

P = 7,917 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 60

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidad del eje intermedio

nB = nC = 960·12/25 = 460,8 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 40·460,8/307,2 = 60

Respuesta

ND = 60
3.Torsión de ejes

Respuesta: do = 60,68 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.

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·2 × 10⁶/(π·60·0,7599)) = 60,68 mm
di = 0,7·60,68 = 42,47 mm

Respuesta

do = 60,68 mm

Un eje macizo necesitaría d = 55,37 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 31,83 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.

Pares internos

Se toma positivo el sentido de TC.

TBC = TC = 400 N·m
TAB = TC − TB = 400 − 750 = −350 N·m

Tensión cortante máxima

El tramo con el mayor par interno tiene la mayor tensión (mismo diámetro).

|T|max = 400 N·m
τmax = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa

Respuesta

τmax = 31,83 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 67,08 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 = √(((−80 − 40)/2)² + −30²) = 67,08 MPa

Respuesta

τmax = 67,08 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 2,076

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 = 35 MPa, R = 60,21 MPa
σ1 = 95,21 MPa, σ2 = −25,21 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 120,4 MPa
n = 250/120,4 = 2,076

Respuesta

n = 2,076

n > 1 significa que el punto no plastifica; Tresca es algo más conservador que von Mises.

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 155,1 kN

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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(120000·2827) = 5,895 × 10⁻⁷ mm/N

Carga

P = 0,4/2,579 × 10⁻⁶ = 155105 N = 155,1 kN

Respuesta

P = 155,1 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 607,7 kN

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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·4006 = 5,317 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00125, 0,001143) = 0,001143 (aluminio)

Mayor carga

Pmax = 0,001143·5,317 × 10⁸ = 607674 N = 607,7 kN

Respuesta

Pmax = 607,7 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 45,69 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·6000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/6000² = 45693 N = 45,69 kN

Respuesta

Pcr = 45,69 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 100,1 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 = 2·135000 = 270000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 100,1 mm

Respuesta

d = 100,1 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 239,8, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,4017

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·√(80000·15) = 2191 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 880/2191 = 0,4017

Respuesta

ζ = 0,4017

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,874 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 = 40 + 60 = 100 kN/m
keq = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13043/40) = 18,06 rad/s
fn = 18,06/(2π) = 2,874 Hz

Respuesta

fn = 2,874 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design