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​ = 200 mm1450 rpmn2​ = ?

Una polea de 160 mm a 1450 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1450 rpmd1 = 160 mmd2 = 200 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 600 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 160 mm y una polea de 200 mm cuyos centros están separados 600 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 160 mmd2 = 200 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
d = 10 mmT = 30 N·m250 mmφ = 11,22°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 10 mm de diámetro se tuerce con un par de 30 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 250 mm giran 11,22° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 30 N·md = 10 mmL = 250 mmφ = 11,22°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 50 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 50 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −80σy​ = −10τxy​ = −50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −80 MPa, σᵧ = −10 MPa y τₓᵧ = −50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = −80 MPaσy = −10 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 30σy​ = −50τxy​ = 20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 30 MPa, σᵧ = −50 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 45° en sentido horario respecto al eje x.

σx = 30 MPaσy = −50 MPaτxy = 20 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 20 mmAluminio2 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 20 mmL = 2 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø40110 GPaØ80/50600 mm

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 200 MPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 110 GPa, tensión admisible 80 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m25 × 50 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 = 2 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 135 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. 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 = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 50 kN/mζ = 0,6m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 50 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 = 10 kgk = 50 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 30m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 50 kN/m y el inferior k₂ = 30 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 40 kgk1 = 50 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 1114 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

1450·160/200 = 1160 rpm

Con deslizamiento

n2 = 1160·0,96 = 1114 rpm

Respuesta

n2 = 1114 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 176,2 °

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(0,03333) = 1,91°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·1,91 = 176,2°

Respuesta

θ = 176,2°
3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 39,01 GPa

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 y ángulo

J = π·10⁴/32 = 981,7 mm⁴
φ = 11,22·π/180 = 0,1958 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·250/(981,7·0,1958) = 39011 MPa
G = 39,01 GPa

Respuesta

G = 39,01 GPa

Compara: acero ≈ 80 GPa, latón ≈ 39 GPa, aluminio ≈ 26 GPa.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 30,01 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·60)) = 30,01 mm

Respuesta

d = 30,01 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 61,03 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 − −10)/2)² + −50²) = 61,03 MPa

Respuesta

τmax = 61,03 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −30 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 = −10 + 40·0 + 20·−1 = −30 MPa

Respuesta

σθ = −30 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 3183 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 70·1000/314,2 = 222,8 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for aluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 222,8/70000 = 0,003183 = 3183 µε

Respuesta

ε = 3183 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 427,8 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(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·3063 = 5,883 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,001, 0,0007273) = 0,0007273 (bronce)

Mayor carga

Pmax = 0,0007273·5,883 × 10⁸ = 427828 N = 427,8 kN

Respuesta

Pmax = 427,8 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 32,13 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·2000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/2000² = 32128 N = 32,13 kN

Respuesta

Pcr = 32,13 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 65,06 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 = 0,5·3000 = 1500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 65,06 mm

Respuesta

d = 65,06 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 92,23, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 9,003 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 = √(50000/10) = 70,71 rad/s
fn = 70,71/(2π) = 11,25 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11,25·√(1 − 0,6²) = 9,003 Hz

Respuesta

fd = 9,003 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,446 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 = 1/50 + 1/30 → keq = 50·30/(50 + 30) = 18,75 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(18750/40) = 21,65 rad/s
fn = 21,65/(2π) = 3,446 Hz

Respuesta

fn = 3,446 Hz

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