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​N2​ = ?

Dos ejes paralelos están a 112,5 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 3 mm y una reducción de velocidad de 2 : 1. ¿Cuántos dientes N2 debe tener la rueda?

a = 112,5 mmm = 3 mmi = 2
N2 =
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 20C = 20D = 72

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (20 dientes). El engranaje C (20 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (72 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 16B = 20C = 20D = 72
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = 15 mmT = 50 N·m200 mmφ = 4,43°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 15 mm de diámetro se tuerce con un par de 50 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 200 mm giran 4,43° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 50 N·md = 15 mmL = 200 mmφ = 4,43°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?50 kW, 750 rpm

Un eje macizo de latón transmite 50 kW a 750 rpm. La tensión cortante no debe superar 80 MPa y la torsión no debe superar 1° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 50 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPaθallow = 1°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 90σy​ = 120τxy​ = 60MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 90 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = 60 MPa, con σz = 0. Halla la tensión cortante máxima absoluta τabs en el punto (considerando todos los planos en tres dimensiones).

σx = 90 MPaσy = 120 MPaτxy = 60 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 110σy​ = 10τxy​ = −60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = 10 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 110 MPaσy = 10 MPaτxy = −60 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 12 mmCobre3 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 12 mmL = 3 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmCobre1 mØ 16 mmAcero1 mP = 85 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 = 85 kNtramo 1: Ø40 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 1 m, acero (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 m30 × 100 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 = 6 mE = 200 GPa (acero)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 5 md = 80 mmsección

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx50 mm4 ciclos14,2 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 50 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 14,2 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 50 mmx4 = 14,2 mmn = 4
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 15m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 12 kN/m y k₂ = 15 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N2 = 50

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.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·112,5/3 = 75

Reparte según la relación

N1 = 75/(1 + 2) = 25
N2 = 2·25 = 50

Respuesta

N2 = 50
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 320 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 = 1440·16/20 = 1152 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1152·20/72 = 320 rpm

Respuesta

nout = 320 rpm

relación total = 4,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 26,02 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·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 4,43·π/180 = 0,07732 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 50 N·m = 50000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 50000·200/(4970·0,07732) = 26023 MPa
G = 26,02 GPa

Respuesta

G = 26,02 GPa

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

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 55,56 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 = 50000/78,54 = 636,6 N·m

Diámetro por resistencia

T = 636,6 N·m = 636620 N·mm
dτ = ∛(16·636620/(π·80)) = 34,35 mm

Diámetro por rigidez

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·636620/(π·39000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 55,56 mm

Diámetro determinante

Ambos límites deben cumplirse, así que manda el diámetro mayor.

d = max(34,35, 55,56) = 55,56 mm

Respuesta

d = 55,56 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τabs = 83,42 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. En tres dimensiones la tensión cortante máxima absoluta es (σmax − σmin)/2 entre las tres tensiones principales; en tensión plana la tercera es nula.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales en el plano

C = 105 MPa, R = √((−15)² + 60²) = 61,85 MPa
σ1 = 166,8 MPa, σ2 = 43,15 MPa, σz = 0

El mayor de los tres círculos

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(123,7, 166,8, 43,15)/2 = 83,42 MPa

Respuesta

τabs = 83,42 MPa

Aquí manda el círculo fuera del plano: el máximo absoluto es mayor que el máximo en el plano R.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 59,73 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 = 60 + 50·0,766 + −60·0,6428 = 59,73 MPa

Respuesta

σθ = 59,73 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 2267 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 30·1000/113,1 = 265,3 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 265,3/117000 = 0,002267 = 2267 µε

Respuesta

ε = 2267 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 422,8 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 67,64 MPa
σ2 = 422,8 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 422,8 MPa

Respuesta

σmax = 422,8 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 12,34 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·6000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/6000² = 12337 N = 12,34 kN

Respuesta

Pcr = 12,34 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 44,22 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 = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/20 = 125

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/125² = 44,22 MPa

Respuesta

σcr = 44,22 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,05002

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 = (1/4)·ln(50/14,2) = 0,3147

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3147/√(39,48 + 0,09903) = 0,05002

Respuesta

ζ = 0,05002
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 27 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 = 12 + 15 = 27 kN/m

Respuesta

keq = 27 kN/m

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