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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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​ = 60

Un motor de 5,5 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 24 dientes, que engrana con una rueda de 60 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 5,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 60η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 500 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 2880 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 500 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 600 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmd2 = 500 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 600 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 2000 N·mL = 1 m

Un eje macizo de acero de 1 m de longitud transmite un par de 2000 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 1°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 2000 N·mL = 1 mG = 80 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = 40 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 500 N·mABC2,5 m1,2 m

Un eje macizo de latón de 40 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 2,5 m de A, actúa un par de 100 N·m, y en el extremo libre C, 1,2 m más allá, actúa un par de 500 N·m en el mismo sentido. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 40 mmTB = 100 N·mTC = 500 N·mAB = 2,5 mBC = 1,2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 110σy​ = 70MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 110 MPa y σᵧ = 70 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 150 MPa?

σx = 110 MPaσy = 70 MPaσ1 = 150 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −50σy​ = 120τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −50 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 45° en sentido horario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = 120 MPaτxy = 40 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
150 kNØ20110 GPaØ120/70300 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 70 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: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
80 kN12400 mm500 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 20 mm, longitud 400 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 60 mm, longitud 500 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 80 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø60 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 md = 40 mmsección

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 90 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en la base y articulado arriba. Debe soportar 90 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 90 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 590 N·s/mm = 80 kg

Una masa de 80 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 590 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 80 kgk = 12 kN/mc = 590 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 10k3​ = 50m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 50 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 5 kN/m y k₂ = 10 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 = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 91,18 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 = 5500/150,8 = 36,47 N·m

Par de salida

T2 = 36,47·60/24·1 = 91,18 N·m

Respuesta

T2 = 91,18 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 3,139 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 = 2,275 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,5687 = 1,766, T₂ = 600/1,766 = 339,8 N

Potencia

P = (600 − 339,8)·12,06 = 3,139 kW

Respuesta

P = 3,139 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 61,8 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.

Momento polar necesario

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 2 × 10⁶·1000/(80000·0,01745) = 1,432 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 61,8 mm

Respuesta

d = 61,8 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 47,75 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 + 100 = 600 N·m

Tensión cortante máxima

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

|T|max = 600 N·m
τmax = 16·600000/(π·40³) = 47,75 MPa

Respuesta

τmax = 47,75 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 56,57 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.

Radio necesario

C = (110 + 70)/2 = 90 MPa
R = σ1 − C = 150 − 90 = 60 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(60² − 20²) = 56,57 MPa

Respuesta

τxy = 56,57 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = −85 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

τθ = −−85·−1 + 40·0 = −85 MPa

Respuesta

τθ = −85 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,05093 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·7461 = 8,836 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 150000·300/8,836 × 10⁸ = 0,05093 mm

Respuesta

δ = 0,05093 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 22,59 MPa

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.

Rigideces

k₁ = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 110000·2827/500 = 622035 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 80000·622035/779115 = 63871 N

Tensión

σ2 = 63871/2827 = 22,59 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 22,59 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 38,59 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/1500² = 38586 N = 38,59 kN

Respuesta

Pcr = 38,59 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 76,98 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 = 3·90000 = 270000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·2100²/(π³·70000))^(1/4) = 76,98 mm

Respuesta

d = 76,98 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 109,1, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,3011

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.

Amortiguamiento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(12000·80) = 1960 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 590/1960 = 0,3011

Respuesta

ζ = 0,3011

ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,703 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 = 5 + 10 = 15 kN/m
keq = 15·50/(15 + 50) = 11,54 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(11538/40) = 16,98 rad/s
fn = 16,98/(2π) = 2,703 Hz

Respuesta

fn = 2,703 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design