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
Nw​ = 48z = 4, 1440 rpm

Un tornillo sinfín de 4 entrada(s) gira a 1440 rpm y acciona una rueda helicoidal de 48 dientes. Halla la velocidad nw de la rueda.

z = 4Nw = 48n = 1440 rpm
nw = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 25C = 24D = 25

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (25 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (25 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 12B = 25C = 24D = 25
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
do​ = ?T = 400 N·m

Un eje hueco debe transmitir un par de 400 N·m. 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.

T = 400 N·mdi/do = 0,5τallow = 60 MPa
do = mm
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?75 kW, 1000 rpm

Un eje hueco debe transmitir 75 kW a 1000 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,75 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 75 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 75 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,75τallow = 75 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 70σy​ = −30τxy​ = 60MPa

En un punto σₓ = 70 MPa, σᵧ = −30 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 20° en sentido horario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = 70 MPaσy = −30 MPaτxy = 60 MPaθ = -20°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 140σy​ = 30τxy​ = −10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 140 MPa, σᵧ = 30 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 15° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 140 MPaσy = 30 MPaτxy = −10 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 30 mmCobre2 mP = 85 kN

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

P = 85 kNd = 30 mmL = 2 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø25100 GPaØ100/70400 mm

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 150 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 50 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 md = 40 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 = 2 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 125 kNL = 6 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 125 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 125 kNn = 3L = 6 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx12 mm1 ciclo9,9 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 12 mm le sigue un ciclo después un pico de 9,9 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 12 mmx1 = 9,9 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 10m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 5 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 = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nw = 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.

Velocidad de la rueda

nw = n·z/Nw = 1440·4/48 = 120 rpm

Respuesta

nw = 120 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 663,6 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 = 1440·12/25 = 691,2 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 691,2·24/25 = 663,6 rpm

Respuesta

nout = 663,6 rpm

relación total = 2,17 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: do = 33,09 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.

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 400 N·m = 400000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·400000/(π·60·0,9375)) = 33,09 mm
di = 0,5·33,09 = 16,54 mm

Respuesta

do = 33,09 mm

Un eje macizo necesitaría d = 32,38 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 41,44 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 716,2 N·m = 716197 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·716197/(π·75·0,6836)) = 41,44 mm
di = 0,75·41,44 = 31,08 mm

Respuesta

do = 41,44 mm

Un eje macizo necesitaría d = 36,5 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = 20,27 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′ = 20 − 50·0,766 − 60·(−0,6428) = 20,27 MPa

Comprobación

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

σx′ = 19,73 MPa, σx′ + σy′ = 40 = σx + σy

Respuesta

σy′ = 20,27 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 127,6 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 = 85 + 55·0,866 + −10·0,5 = 127,6 MPa

Respuesta

σθ = 127,6 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 2,056 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 85·1000/706,9 = 120,3 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 120,3/117000 = 0,001028 = 1028 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,001028·2000 mm = 2,056 mm

Respuesta

δ = 2,056 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 249,4 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·4006 = 4,987 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00075, 0,0005) = 0,0005 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,0005·4,987 × 10⁸ = 249364 N = 249,4 kN

Respuesta

Pmax = 249,4 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 62,01 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 = 1·2000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/2000² = 62013 N = 62,01 kN

Respuesta

Pcr = 62,01 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 76,82 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 = 3·125000 = 375000 N
KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·375000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 76,82 mm

Respuesta

d = 76,82 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 156,2, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,0306

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(12/9,9) = 0,1924

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1924/√(39,48 + 0,03701) = 0,0306

Respuesta

ζ = 0,0306
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 15 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 = 5 + 10 = 15 kN/m

Respuesta

keq = 15 kN/m

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