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​ = 24N2​ = 45

Un motor de 7,5 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 24 dientes, que engrana con una rueda de 45 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 7,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 45η = 96%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 18C = 40D = 45

Un motor de 15 kW a 1450 rpm acciona la rueda A (16 dientes), que engrana con la rueda B (18 dientes). La rueda C (40 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (45 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida Tout.

P = 15 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 18C = 40D = 45ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Torsión de ejesMedia
T = 750 N·md = 50 mmL = 3 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 = 750 N·md = 50 mmL = 3 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?15 kW, 1000 rpm

Un eje hueco debe transmitir 15 kW a 1000 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,8 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 40 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 15 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,8τallow = 40 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 20σy​ = 0τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 20 MPa, σᵧ = 0 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 20 MPaσy = 0 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie superior del eje

Un eje macizo de 40 mm de diámetro soporta un momento flector de 500 N·m junto con un par de 400 N·m. En la superficie superior, donde la tensión de flexión es de tracción y máxima, halla la tensión principal mayor σ1.

d = 40 mmM = 500 N·mT = 400 N·m
σ1 = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 30 mmAcero2,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø30100 GPaØ100/60400 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 150 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 60 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m25 × 100 mmsección

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

L = 2 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 115 kNL = 5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 115 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 115 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 20 kN/mζ = 0,45m = 100 kg

Una masa de 100 kg sobre un muelle con una rigidez de 20 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,45. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 100 kgk = 20 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 50k3​ = 15m = 20 kg

Una masa de 20 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 = 80 kN/m y k₂ = 50 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 = 20 kgk1 = 80 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 49,74 N·m

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.

Par del motor

ω₁ = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/150,8 = 49,74 N·m

Respuesta

T1 = 49,74 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 120,1 N·m

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 de salida

nout = 1450·(16/18)·(40/45) = 1146 rpm
ωout = 2π·1146/60 = 120 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 15000·0,98² = 14406 W
Tout = Pout/ωout = 14406/120 = 120,1 N·m

Respuesta

Tout = 120,1 N·m
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 2,626 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 750·1000·3000/(80000·613592) = 0,04584 rad
φ = 0,04584·180/π = 2,626°

Respuesta

φ = 2,626°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 31,38 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 15000/104,7 = 143,2 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 143,2 N·m = 143239 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·143239/(π·40·0,5904)) = 31,38 mm
di = 0,8·31,38 = 25,1 mm

Respuesta

do = 31,38 mm

Un eje macizo necesitaría d = 26,32 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 41,23 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 = √(((20 − 0)/2)² + 40²) = 41,23 MPa

Respuesta

τmax = 41,23 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ1 = 90,74 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.

Tensiones en la superficie

σ = 32M/(πd³) = 32·500000/(π·40³) = 79,58 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 39,79 MPa
R = √(39,79² + 31,83²) = 50,95 MPa
σ1 = C + R = 90,74 MPa
σ2 = C − R = −11,17 MPa

Respuesta

σ1 = 90,74 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 530,5 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 75·1000/706,9 = 106,1 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 106,1/200000 = 0,0005305 = 530,5 µε

Respuesta

ε = 530,5 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 386,4 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·5027 = 6,44 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00075, 0,0006) = 0,0006 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·6,44 × 10⁸ = 386416 N = 386,4 kN

Respuesta

Pmax = 386,4 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 16,06 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·2000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/4000² = 16064 N = 16,06 kN

Respuesta

Pcr = 16,06 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 68,68 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 = 3·115000 = 345000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·345000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 68,68 mm

Respuesta

d = 68,68 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 145,6, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,01 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 = √(20000/100) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,45²) = 2,01 Hz

Respuesta

fd = 2,01 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,127 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 = 80 + 50 = 130 kN/m
keq = 130·15/(130 + 15) = 13,45 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13448/20) = 25,93 rad/s
fn = 25,93/(2π) = 4,127 Hz

Respuesta

fn = 4,127 Hz

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