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​ = 40

Un motor de 2,2 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 15 dientes, que engrana con una rueda de 40 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 2,2 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 40η = 97%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 32C = 18D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (24 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (32 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 24B = 32C = 18D = 45
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 750 N·mL = 0,5 m

Un eje macizo de acero de 0,5 m de longitud transmite un par de 750 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 3°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 750 N·mL = 0,5 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?30 kW, 1500 rpm

Un eje macizo de latón transmite 30 kW a 1500 rpm. La tensión cortante no debe superar 60 MPa y la torsión no debe superar 0,75° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 30 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,75°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 30σy​ = −60τxy​ = −50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 30 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = −50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 30 MPaσy = −60 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie superior del eje

Un eje macizo de 50 mm de diámetro soporta un momento flector de 1500 N·m junto con un par de 1000 N·m. En la superficie superior, donde la tensión de flexión es de tracción y máxima, halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

d = 50 mmM = 1500 N·mT = 1000 N·m
τmax = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 20 mmCobre2 mP = 20 kN

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

P = 20 kNd = 20 mmL = 2 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø25100 GPaØ80/60400 mm

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 120 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 60 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 = 120 MPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 m30 × 80 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en la base y libre arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 10 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 10 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 50 kN/mζ = 0,6m = 500 kg

Una masa de 500 kg sobre un muelle con una rigidez de 50 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,6. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 500 kgk = 50 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 80k3​ = 60m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 60 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 12 kN/m y k₂ = 80 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 = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 14,01 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/157,1 = 14,01 N·m

Respuesta

T1 = 14,01 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 432 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 = 1440·24/32 = 1080 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1080·18/45 = 432 rpm

Respuesta

nout = 432 rpm

relación total = 3,333 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 30,9 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·500/(80000·0,05236) = 89525 mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 30,9 mm

Respuesta

d = 30,9 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 44,18 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 = 30000/157,1 = 191 N·m

Diámetro por resistencia

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·60)) = 25,31 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·190986/(π·39000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 44,18 mm

Diámetro determinante

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

d = max(25,31, 44,18) = 44,18 mm

Respuesta

d = 44,18 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 67,27 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.

στxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((30 − −60)/2)² + −50²) = 67,27 MPa

Respuesta

τmax = 67,27 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 73,45 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 = 32M/(πd³) = 32·1500000/(π·50³) = 122,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·50³) = 40,74 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 61,12 MPa
R = √(61,12² + 40,74²) = 73,45 MPa

Respuesta

τmax = 73,45 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,088 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 = 20·1000/314,2 = 63,66 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 63,66/117000 = 0,0005441 = 544,1 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0005441·2000 mm = 1,088 mm

Respuesta

δ = 1,088 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 159 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(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·2199 = 3,181 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,0006, 0,0005) = 0,0005 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,0005·3,181 × 10⁸ = 159043 N = 159 kN

Respuesta

Pmax = 159 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 13,82 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·1500 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·180000/3000² = 13817 N = 13,82 kN

Respuesta

Pcr = 13,82 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 27,6 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 = 2,5·10000 = 25000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·25000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 27,6 mm

Respuesta

d = 27,6 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 217,4, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,273 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(50000/500) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,6²) = 1,273 Hz

Respuesta

fd = 1,273 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 13,56 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 = 12 + 80 = 92 kN/m
keq = 92·60/(92 + 60) = 36,32 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(36316/5) = 85,22 rad/s
fn = 85,22/(2π) = 13,56 Hz

Respuesta

fn = 13,56 Hz

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