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​ = 15N2​ = 16

Un motor de 2,2 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 15 dientes, que engrana con una rueda de 16 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 2,2 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 16η = 96%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 45C = 24D = 80

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (45 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (80 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 45C = 24D = 80
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = 20 mmT = 50 N·m250 mmφ = 1,17°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 20 mm de diámetro se tuerce con un par de 50 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 250 mm giran 1,17° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 50 N·md = 20 mmL = 250 mmφ = 1,17°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?5 kW, 1500 rpm

Un eje macizo de aluminio transmite 5 kW a 1500 rpm. La tensión cortante no debe superar 60 MPa y la torsión no debe superar 0,25° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 5 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,25°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σy​ = 120τxy​ = 10MPa

En un punto σₓ = 0 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 25° en sentido antihorario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = 0 MPaσy = 120 MPaτxy = 10 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 90σy​ = −10τxy​ = 10MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 90 MPa, σᵧ = −10 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 275 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de von Mises (energía de distorsión).

σx = 90 MPaσy = −10 MPaτxy = 10 MPaσY = 275 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
150 kNØ25110 GPaØ120/60800 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 60 mm, E = 110 GPa). Ambos miden 800 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 150 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 150 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmLatón1 mØ 20 mmAluminio1 mP = 85 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla el alargamiento total δ.

P = 85 kNtramo 1: Ø40 mm, 1 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 1 m, aluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m20 × 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 2 md = 20 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminio)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm2 ciclos7 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 7 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx2 = 7 mmn = 2
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 100m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 40 kN/m y k₂ = 100 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 = 40 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 14,84 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/151,8 = 14,49 N·m

Par de salida

T2 = 14,49·16/15·0,96 = 14,84 N·m

Respuesta

T2 = 14,84 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 120 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 = 1500·12/45 = 400 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 400·24/80 = 120 rpm

Respuesta

nout = 120 rpm

relación total = 12,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 38,97 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·20⁴/32 = 15708 mm⁴
φ = 1,17·π/180 = 0,02042 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 50 N·m = 50000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 50000·250/(15708·0,02042) = 38970 MPa
G = 38,97 GPa

Respuesta

G = 38,97 GPa

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

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 41,12 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 = 5000/157,1 = 31,83 N·m

Diámetro por resistencia

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
dτ = ∛(16·31831/(π·60)) = 13,93 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·31831/(π·26000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 41,12 mm

Diámetro determinante

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

d = max(13,93, 41,12) = 41,12 mm

Respuesta

d = 41,12 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = 90,91 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 para la cara y′

σy′ = 60 − (−60)·0,6428 − 10·0,766 = 90,91 MPa

Comprobación

La suma de las tensiones normales no cambia con el giro.

σx′ = 29,09 MPa, σx′ + σy′ = 120 = σx + σy

Respuesta

σy′ = 90,91 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 2,836

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. Criterios de plastificación: von Mises predice la plastificación cuando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) alcanza σY; Tresca, cuando la tensión cortante máxima absoluta alcanza σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = 40 MPa, R = 50,99 MPa
σ1 = 90,99 MPa, σ2 = −10,99 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(90,99² − 90,99·(−10,99) + (−10,99)²) = 96,95 MPa
n = 275/96,95 = 2,836

Respuesta

n = 2,836

n > 1 significa que el punto no plastifica; Tresca es algo más conservador que von Mises.

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,1164 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·8482 = 1,031 × 10⁹ N

Acortamiento

δ = 150000·800/1,031 × 10⁹ = 0,1164 mm

Respuesta

δ = 0,1164 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 4,542 mm

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 = 67,64 MPa
σ2 = 270,6 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 67,64·1000/100000 = 0,6764 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 270,6·1000/70000 = 3,865 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,542 mm

Respuesta

δ = 4,542 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 27,63 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/1000² = 27635 N = 27,63 kN

Respuesta

Pcr = 27,63 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 17,27 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 = 0,5·2000 = 1000 mm
KL/r = 1000/5 = 200

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Respuesta

σcr = 17,27 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,06054

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 = (1/2)·ln(15/7) = 0,3811

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3811/√(39,48 + 0,1452) = 0,06054

Respuesta

ζ = 0,06054
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 11,91 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 = 40 + 100 = 140 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(140000/25) = 74,83 rad/s
fn = 74,83/(2π) = 11,91 Hz

Respuesta

fn = 11,91 Hz

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