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​ = 30N2​ = 32

Un motor de 7,5 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 30 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 = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 30N2 = 32η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 25C = 16D = 72

Un motor de 11 kW a 2900 rpm acciona la rueda A (16 dientes), que engrana con la rueda B (25 dientes). La rueda C (16 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (72 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida Tout.

P = 11 kWnin = 2900 rpmA = 16B = 25C = 16D = 72ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torsión de ejesMedia
T = 100 N·md = 20 mmL = 1 mφ = ?

Un eje macizo de aluminio 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 = 20 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?10 kW, 1450 rpm

Un eje hueco debe transmitir 10 kW a 1450 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,8 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 60 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 10 kWN = 1450 rpmdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −40σy​ = 90τxy​ = 20MPa

En un punto σₓ = −40 MPa, σᵧ = 90 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θs, entre −90° y 90°, desde el eje x hasta la normal del plano en el que la tensión cortante tiene su valor positivo máximo +R (cortante positivo en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −40 MPaσy = 90 MPaτxy = 20 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 60σy​ = 110τxy​ = −10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 60 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 30° en sentido horario respecto al eje x.

σx = 60 MPaσy = 110 MPaτxy = −10 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
200 kNØ30120 GPaØ120/70600 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 70 mm, E = 120 GPa). Ambos miden 600 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 200 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 200 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø20100 GPaØ100/60500 mm

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 150 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 60 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 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 = 4 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 20 mmsección

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 2 kN/mc = 40 N·s/mm = 8 kg

Una masa de 8 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 2 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 40 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 8 kgk = 2 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 10k3​ = 25m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 25 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 20 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 = 20 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 52,69 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 = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Par de salida

T2 = 49,39·32/30·1 = 52,69 N·m

Respuesta

T2 = 52,69 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 229,9 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidad de salida

nout = 2900·(16/25)·(16/72) = 412,4 rpm
ωout = 2π·412,4/60 = 43,19 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 11000·0,95² = 9928 W
Tout = Pout/ωout = 9928/43,19 = 229,9 N·m

Respuesta

Tout = 229,9 N·m
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 14,03 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1000/(26000·15708) = 0,2449 rad
φ = 0,2449·180/π = 14,03°

Respuesta

φ = 14,03°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 21,16 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 10000/151,8 = 65,86 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 65,86 N·m = 65857 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·65857/(π·60·0,5904)) = 21,16 mm
di = 0,8·21,16 = 16,92 mm

Respuesta

do = 21,16 mm

Un eje macizo necesitaría d = 17,75 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = 36,45 °

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​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr el punto más alto (+R) está a 90° del punto principal σ₁; en el elemento eso son 45°.

cos 2θs = 20/68,01 = 0,2941, sin 2θs = −(−65)/68,01 = 0,9558
2θs = atan2(65, 20) = 72,9°

Ángulo en el elemento

θs = 36,45°
comprobación: θs − θp = 36,45 − 81,45 = −45°

Respuesta

θs = 36,45°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 81,16 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 + −25·0,5 + −10·−0,866 = 81,16 MPa

Respuesta

σθ = 81,16 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,1157 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·7461 = 1,037 × 10⁹ N

Acortamiento

δ = 200000·600/1,037 × 10⁹ = 0,1157 mm

Respuesta

δ = 0,1157 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 339,3 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·5027 = 5,655 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00075, 0,0006) = 0,0006 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·5,655 × 10⁸ = 339292 N = 339,3 kN

Respuesta

Pmax = 339,3 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 15,5 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 = 1·4000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/4000² = 15503 N = 15,5 kN

Respuesta

Pcr = 15,5 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 44,76 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 = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/5 = 210

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/210² = 44,76 MPa

Respuesta

σcr = 44,76 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1581

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·√(2000·8) = 253 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 40/253 = 0,1581

Respuesta

ζ = 0,1581

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,939 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 = 20 + 10 = 30 kN/m
keq = 30·25/(30 + 25) = 13,64 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13636/40) = 18,46 rad/s
fn = 18,46/(2π) = 2,939 Hz

Respuesta

fn = 2,939 Hz

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