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​ = 20N2​ = 32

Un motor de 5,5 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 32 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 5,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 32η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm960 rpmC = 800 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 960 rpm con una polea de 250 mm; los centros están separados 800 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 2000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 960 rpmd2 = 250 mmC = 800 mmμ = 0,25T1 = 2000 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
T = 100 N·md = 25 mmL = 2,5 mφ = ?

Un eje macizo de latón 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 = 100 N·md = 25 mmL = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 40 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 500 N·mABC1 m1,2 m

Un eje macizo de acero de 40 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 1 m de A, actúa un par de 1500 N·m, y en el extremo libre C, 1,2 m más allá, actúa un par de 500 N·m en sentido contrario. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 40 mmTB = 1500 N·mTC = 500 N·mAB = 1 mBC = 1,2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 50σy​ = −40τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 50 MPa, σᵧ = −40 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 50 MPaσy = −40 MPaτxy = −30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 50 mm de diámetro soporta una fuerza axial de tracción de 80 kN junto con un par de 1000 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

d = 50 mmF = 80 kNT = 1000 N·m
τmax = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 20 mmLatón2,5 mP = 40 kN

Halla el alargamiento δ de la barra de latón bajo la carga axial.

P = 40 kNd = 20 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmCobre0,5 mØ 16 mmAluminio1,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNtramo 1: Ø40 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 1,5 m, aluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 md = 60 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)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 6 md = 80 mmsección

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

L = 6 mE = 70 GPa (aluminio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm1 ciclo5,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue un ciclo después un pico de 5,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx1 = 5,8 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 10m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 20 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 = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 87,54 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/100,5 = 54,71 N·m

Par de salida

T2 = 54,71·32/20·1 = 87,54 N·m

Respuesta

T2 = 87,54 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 5,249 kW

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.

Ángulo de contacto

θ = 2,954 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,7385 = 2,093, T₂ = 2000/2,093 = 955,7 N

Potencia

P = (2000 − 955,7)·5,027 = 5,249 kW

Respuesta

P = 5,249 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 9,577 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 100·1000·2500/(39000·38350) = 0,1672 rad
φ = 0,1672·180/π = 9,577°

Respuesta

φ = 9,577°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 79,58 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.

Pares internos

Se toma positivo el sentido de TC.

TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC − TB = 500 − 1500 = −1000 N·m

Tensión cortante máxima

El tramo con el mayor par interno tiene la mayor tensión (mismo diámetro).

|T|max = 1000 N·m
τmax = 16·1 × 10⁶/(π·40³) = 79,58 MPa

Respuesta

τmax = 79,58 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −16,85 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr, el punto x está a un ángulo 2θp del eje σ; el cuadrante se deduce de los signos de σₓ − σᵧ y τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−30, 50 − −40) = −33,69°

Ángulo en el elemento

θp = −16,85°

Respuesta

θp = −16,85°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 45,55 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 = F/A = 80000/(π·50²/4) = 80000/1963 = 40,74 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·50³) = 40,74 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 20,37 MPa
R = √(20,37² + 40,74²) = 45,55 MPa

Respuesta

τmax = 45,55 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 3,183 mm

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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 40·1000/314,2 = 127,3 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 127,3/100000 = 0,001273 = 1273 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,001273·2500 mm = 3,183 mm

Respuesta

δ = 3,183 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 5,499 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 39,79 MPa
σ2 = 248,7 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 39,79·500/117000 = 0,17 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 248,7·1500/70000 = 5,329 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,499 mm

Respuesta

δ = 5,499 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 313,9 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 = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/2000² = 313939 N = 313,9 kN

Respuesta

Pcr = 313,9 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 15,67 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 = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/20 = 210

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/210² = 15,67 MPa

Respuesta

σcr = 15,67 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1495

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 = (1/1)·ln(15/5,8) = 0,9502

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9502/√(39,48 + 0,9029) = 0,1495

Respuesta

ζ = 0,1495
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 30 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 = 20 + 10 = 30 kN/m

Respuesta

keq = 30 kN/m

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