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​ = 300 mm1500 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 375 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 100 mm a 1500 rpm. La tensión es de 1500 N en el ramal tenso y de 375 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 100 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1500 NT2 = 375 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm960 rpmC = 1000 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 960 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 1000 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 960 rpmd2 = 315 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 1000 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 40 mmd2​ = 20 mmT = 200 N·mABC1 m1,5 m

Un eje macizo escalonado de acero está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 40 mm y una longitud de 1 m; el tramo BC tiene un diámetro de 20 mm y una longitud de 1,5 m. En el extremo libre C actúa un par de 200 N·m. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

T = 200 N·md1 = 40 mm, L1 = 1 md2 = 20 mm, L2 = 1,5 m
τmax = MPa
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 50 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 80 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 50 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −30σy​ = −50MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = −30 MPa y σᵧ = −50 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance −10 MPa?

σx = −30 MPaσy = −50 MPaσ1 = −10 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 50σy​ = 120τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 50 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 15° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 50 MPaσy = 120 MPaτxy = 10 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmLatón1,5 mP = 10 kN

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

P = 10 kNd = 16 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmCobre2 mØ 20 mmCobre0,5 mP = 70 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla la tensión normal máxima σmax en la barra.

P = 70 kNtramo 1: Ø40 mm, 2 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 md = 80 mmsección

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

L = 3 mE = 200 GPa (acero)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 6 md = 80 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está articulado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 6 mE = 70 GPa (aluminio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mζ = 0,3m = 5 kg

Una masa de 5 kg sobre un muelle con una rigidez de 80 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,3. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 5 kgk = 80 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 80m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 25 kN/m y k₂ = 80 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 25 kgk1 = 25 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 8,836 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 = 7,854 m/s

Potencia

P = (1500 − 375)·7,854 = 8836 W = 8,836 kW

Respuesta

P = 8,836 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,937 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.

Ángulo de contacto

θ = 2,926 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8779 = 2,406, T₂ = 1000/2,406 = 415,7 N

Potencia

P = (1000 − 415,7)·5,027 = 2,937 kW

Respuesta

P = 2,937 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 127,3 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.

Tensión en cada tramo

T = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·40³) = 15,92 MPa
τBC = 16·200000/(π·20³) = 127,3 MPa

Respuesta

τmax = 127,3 MPa
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 27,26 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·80)) = 27,26 mm

Respuesta

d = 27,26 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 28,28 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.

Radio necesario

C = (−30 + (−50))/2 = −40 MPa
R = σ1 − C = −10 − (−40) = 30 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(30² − 10²) = 28,28 MPa

Respuesta

τxy = 28,28 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 59,69 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 = 85 + −35·0,866 + 10·0,5 = 59,69 MPa

Respuesta

σθ = 59,69 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,746 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 10·1000/201,1 = 49,74 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 49,74/100000 = 0,0004974 = 497,4 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0004974·1500 mm = 0,746 mm

Respuesta

δ = 0,746 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 222,8 MPa

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 = 55,7 MPa
σ2 = 222,8 MPa

Tensión máxima

El tramo más delgado tiene menos área, así que soporta la tensión mayor.

σmax = 222,8 MPa

Respuesta

σmax = 222,8 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 900 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/2100² = 899955 N = 900 kN

Respuesta

Pcr = 900 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 7,676 MPa

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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·6000 = 6000 mm
KL/r = 6000/20 = 300

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/300² = 7,676 MPa

Respuesta

σcr = 7,676 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 19,2 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 = √(80000/5) = 126,5 rad/s
fn = 126,5/(2π) = 20,13 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 20,13·√(1 − 0,3²) = 19,2 Hz

Respuesta

fd = 19,2 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 10,31 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 25 + 80 = 105 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(105000/25) = 64,81 rad/s
fn = 64,81/(2π) = 10,31 Hz

Respuesta

fn = 10,31 Hz

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