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​ = 120 mmd2​ = 250 mm2880 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 2880 rpm acciona una polea de 250 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 2880 rpmd1 = 120 mmd2 = 250 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 32C = 30D = 60

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (32 dientes). El engranaje C (30 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (60 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 16B = 32C = 30D = 60
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 25 mmd2​ = 20 mmT = 250 N·mABC0,8 m1 m

Un eje macizo escalonado de latón está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 25 mm y una longitud de 0,8 m; el tramo BC tiene un diámetro de 20 mm y una longitud de 1 m. En el extremo libre C actúa un par de 250 N·m. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

T = 250 N·md1 = 25 mm, L1 = 0,8 md2 = 20 mm, L2 = 1 m
τmax = MPa
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?100 kW, 750 rpm

Un eje hueco debe transmitir 100 kW a 750 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,5 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 60 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 100 kWN = 750 rpmdi/do = 0,5τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −70σy​ = 120τxy​ = 30MPa

En un punto σₓ = −70 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θs, entre −90° y 90°, desde el eje x hasta la normal del plano en el que la tensión cortante tiene su valor positivo máximo +R (cortante positivo en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = 120 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −10σy​ = 30τxy​ = −50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −10 MPa, σᵧ = 30 MPa y τₓᵧ = −50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 15° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −10 MPaσy = 30 MPaτxy = −50 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
150 kNØ40110 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 50 mm, E = 110 GPa). Ambos miden 300 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 150 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 150 kNbarra: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø20110 GPaØ100/60400 mm

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 120 MPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 110 GPa, tensión admisible 100 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 m30 × 40 mmsección

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

L = 4 mE = 200 GPa (acero)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 4 md = 50 mmsección

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

L = 4 mE = 200 GPa (acero)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx10 mm3 ciclos1,5 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 10 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 1,5 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 10 mmx3 = 1,5 mmn = 3
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 10m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 40 kN/m y k₂ = 10 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 1327 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

2880·120/250 = 1382 rpm

Con deslizamiento

n2 = 1382·0,96 = 1327 rpm

Respuesta

n2 = 1327 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 725 rpm

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.

Primera etapa

nB = 2900·16/32 = 1450 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1450·30/60 = 725 rpm

Respuesta

nout = 725 rpm

relación total = 4 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 159,2 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 = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·25³) = 81,49 MPa
τBC = 16·250000/(π·20³) = 159,2 MPa

Respuesta

τmax = 159,2 MPa
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 48,67 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 100000/78,54 = 1273 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 1273 N·m = 1,273 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,273 × 10⁶/(π·60·0,9375)) = 48,67 mm
di = 0,5·48,67 = 24,33 mm

Respuesta

do = 48,67 mm

Un eje macizo necesitaría d = 47,63 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = 36,24 °

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​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr el punto más alto (+R) está a 90° del punto principal σ₁; en el elemento eso son 45°.

cos 2θs = 30/99,62 = 0,3011, sin 2θs = −(−95)/99,62 = 0,9536
2θs = atan2(95, 30) = 72,47°

Ángulo en el elemento

θs = 36,24°
comprobación: θs − θp = 36,24 − 81,24 = −45°

Respuesta

θs = 36,24°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −32,32 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 + −20·0,866 + −50·0,5 = −32,32 MPa

Respuesta

σθ = −32,32 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,05004 mm

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 − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·5890 = 8,993 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 150000·300/8,993 × 10⁸ = 0,05004 mm

Respuesta

δ = 0,05004 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 369,5 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·5027 = 6,158 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,0006, 0,0009091) = 0,0006 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·6,158 × 10⁸ = 369451 N = 369,5 kN

Respuesta

Pmax = 369,5 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 44,41 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·90000/2000² = 44413 N = 44,41 kN

Respuesta

Pcr = 44,41 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 19,28 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/12,5 = 320

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/320² = 19,28 MPa

Respuesta

σcr = 19,28 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1001

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 = (1/3)·ln(10/1,5) = 0,6324

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6324/√(39,48 + 0,3999) = 0,1001

Respuesta

ζ = 0,1001
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 50 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 40 + 10 = 50 kN/m

Respuesta

keq = 50 kN/m

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