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
N1​ = 16, m = 5 mm

Un motor de 22 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 16 dientes y módulo 5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 22 kWn = 1450 rpmN1 = 16m = 5 mm
Ft = N
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 48C = 12D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (15 dientes) del eje de entrada gira a 960 rpm y acciona la rueda B (48 dientes). La rueda C (12 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 50 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 960 rpmA = 15B = 48C = 12nout = 50 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
T = 400 N·md = 20 mmL = 1 mφ = ?

Un eje macizo de acero 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 = 400 N·md = 20 mmL = 1 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 20 mm

Un eje hueco transmite 10 kW a 750 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 10 kWN = 750 rpmdo = 40 mmdi = 20 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 100σy​ = 60MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 100 MPa y σᵧ = 60 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 160 MPa?

σx = 100 MPaσy = 60 MPaσ1 = 160 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 80σy​ = 120τxy​ = −50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 80 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = −50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido horario respecto al eje x.

σx = 80 MPaσy = 120 MPaτxy = −50 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmAcero0,5 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
50 kN12600 mm300 mmØ40Ø30σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) y un tramo de latón (diámetro 30 mm, longitud 300 mm, E = 100 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 50 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: latón, Ø30 mm, 300 mm, E = 100 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 md = 60 mmsección

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminio)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 5 md = 20 mmsección

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

L = 5 mE = 200 GPa (acero)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm5 ciclos1,2 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue 5 ciclos después un pico de 1,2 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx5 = 1,2 mmn = 5
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 50m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 15 kN/m y el inferior k₂ = 50 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 100 kgk1 = 15 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 3622 N

Geometría de engranajes: el módulo m fija el tamaño del diente. Una rueda con N dientes tiene un diámetro primitivo d = m·N, dos ruedas que engranan tienen el mismo módulo, y su distancia entre centros es a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. La velocidad en la circunferencia primitiva es v = π·d·n/60, y la fuerza tangencial en el diente se obtiene del par: Ft = 2T/d.

Par en el piñón

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 22000/151,8 = 144,9 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 5·16 = 80 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·144,9/0,08 = 3622 N

Respuesta

Ft = 3622 N
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 72

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.

Velocidad del eje intermedio

nB = nC = 960·15/48 = 300 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 12·300/50 = 72

Respuesta

ND = 72
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 18,24 °

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) = 400·1000·1000/(80000·15708) = 0,3183 rad
φ = 0,3183·180/π = 18,24°

Respuesta

φ = 18,24°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 10,81 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.

Par

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Momento polar de inercia

J = π(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 127324·20/235619 = 10,81 MPa

Respuesta

τmax = 10,81 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 77,46 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 = (100 + 60)/2 = 80 MPa
R = σ1 − C = 160 − 80 = 80 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(80² − 20²) = 77,46 MPa

Respuesta

τxy = 77,46 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 116,8 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 = 100 + −20·0,766 + −50·−0,6428 = 116,8 MPa

Respuesta

σθ = 116,8 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 1019 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 100·1000/490,9 = 203,7 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 203,7/200000 = 0,001019 = 1019 µε

Respuesta

ε = 1019 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 25,46 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 = 200000·1257/600 = 418879 N/mm
k₂ = 100000·706,9/300 = 235619 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 50000·235619/654498 = 18000 N

Tensión

σ2 = 18000/706,9 = 25,46 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 25,46 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 195,3 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/1500² = 195340 N = 195,3 kN

Respuesta

Pcr = 195,3 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 7,896 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/5 = 500

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/500² = 7,896 MPa

Respuesta

σcr = 7,896 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,08014

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 = (1/5)·ln(15/1,2) = 0,5051

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5051/√(39,48 + 0,2552) = 0,08014

Respuesta

ζ = 0,08014
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 11,54 kN/m

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 = 1/15 + 1/50 → keq = 15·50/(15 + 50) = 11,54 kN/m

Respuesta

keq = 11,54 kN/m

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