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​ = 48N2​ = 80

Un motor de 0,75 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 48 dientes, que engrana con una rueda de 80 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 0,75 kWn1 = 1450 rpmN1 = 48N2 = 80η = 97%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 45B = 48C = 18D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (45 dientes) del eje de entrada gira a 960 rpm y acciona la rueda B (48 dientes). La rueda C (18 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 337,5 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 960 rpmA = 45B = 48C = 18nout = 337,5 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
d = 20 mmT = 100 N·m400 mmφ = 3,74°

En un ensayo de torsión, una probeta maciza de 20 mm de diámetro se tuerce con un par de 100 N·m. Los dos extremos de una longitud de medida de 400 mm giran 3,74° uno respecto al otro (el material sigue en régimen elástico). Halla el módulo de elasticidad transversal G del material.

T = 100 N·md = 20 mmL = 400 mmφ = 3,74°
G = GPa
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 35 mm

Un eje hueco transmite 15 kW a 1800 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 15 kWN = 1800 rpmdo = 50 mmdi = 35 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −60σy​ = −80τxy​ = 20MPa

En un punto σₓ = −60 MPa, σᵧ = −80 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 = −60 MPaσy = −80 MPaτxy = 20 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −50σy​ = 110τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −50 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 30° en sentido horario respecto al eje x.

σx = −50 MPaσy = 110 MPaτxy = 60 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12500 mm200 mmØ25Ø50δ = 0,3 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de bronce (diámetro 50 mm, longitud 200 mm, E = 110 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,3 mm en total.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø50 mm, 200 mm, E = 110 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø20100 GPaØ100/70800 mm

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 250 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 100 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1 md = 20 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 = 1 mE = 200 GPa (acero)d = 20 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 libre 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
k = 50 kN/mζ = 0,6m = 250 kg

Una masa de 250 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 = 250 kgk = 50 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 30m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 15 kN/m y k₂ = 30 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 7,985 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 = 750/151,8 = 4,939 N·m

Par de salida

T2 = 4,939·80/48·0,97 = 7,985 N·m

Respuesta

T2 = 7,985 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 48

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 del eje intermedio

nB = nC = 960·45/48 = 900 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 18·900/337,5 = 48

Respuesta

ND = 48
3.Torsión de ejes

Respuesta: G = 39,01 GPa

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 y ángulo

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
φ = 3,74·π/180 = 0,06528 rad

Módulo de elasticidad transversal

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 100000·400/(15708·0,06528) = 39011 MPa
G = 39,01 GPa

Respuesta

G = 39,01 GPa

Compara: acero ≈ 80 GPa, latón ≈ 39 GPa, aluminio ≈ 26 GPa.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 4,267 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.

Par

ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 15000/188,5 = 79,58 N·m

Momento polar de inercia

J = π(50⁴ − 35⁴)/32 = 466269 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 79577·25/466269 = 4,267 MPa

Respuesta

τmax = 4,267 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = −13,28 °

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.

σxyCτmax​

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 = 20/22,36 = 0,8944, sin 2θs = −10/22,36 = −0,4472
2θs = atan2(−10, 20) = −26,57°

Ángulo en el elemento

θs = −13,28°
comprobación: θs − θp = −13,28 − 31,72 = −45°

Respuesta

θs = −13,28°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −61,96 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 = 30 + −80·0,5 + 60·−0,866 = −61,96 MPa

Respuesta

σθ = −61,96 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 49,84 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

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490,9) = 5,093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(110000·1963) = 9,26 × 10⁻⁷ mm/N

Carga

P = 0,3/6,019 × 10⁻⁶ = 49843 N = 49,84 kN

Respuesta

P = 49,84 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 463,4 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·4006 = 4,634 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00125, 0,001) = 0,001 (latón)

Mayor carga

Pmax = 0,001·4,634 × 10⁸ = 463385 N = 463,4 kN

Respuesta

Pmax = 463,4 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·1000 = 500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/500² = 62013 N = 62,01 kN

Respuesta

Pcr = 62,01 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 1,919 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 = 2·6000 = 12000 mm
KL/r = 12000/20 = 600

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/600² = 1,919 MPa

Respuesta

σcr = 1,919 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,801 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 = √(50000/250) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,6²) = 1,801 Hz

Respuesta

fd = 1,801 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 15,1 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

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 = 15 + 30 = 45 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(45000/5) = 94,87 rad/s
fn = 94,87/(2π) = 15,1 Hz

Respuesta

fn = 15,1 Hz

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