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​ = 20N2​ = 32

Un motor de 5,5 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 32 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 5,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 32η = 98%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 1000 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 720 rpm con una polea de 200 mm; los centros están separados 1000 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmd2 = 200 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 500 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 40, di​ = 24 mmT = 2000 N·mL = 1,2 m

Un eje hueco de acero (diámetro exterior 40 mm, diámetro interior 24 mm, longitud 1,2 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 2000 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 2000 N·mdo = 40 mmdi = 24 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 75 kW a 1000 rpm sin que la tensión cortante supere 50 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 75 kWN = 1000 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 100MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 100 MPa y σᵧ = 0 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 140 MPa?

σx = 100 MPaσy = 0 MPaσ1 = 140 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 60 mm de diámetro soporta una fuerza axial de tracción de 30 kN junto con un par de 1500 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

d = 60 mmF = 30 kNT = 1500 N·m
τmax = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmAcero2,5 mP = 115 kN

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

P = 115 kNd = 16 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmAluminio1 mØ 16 mmAcero1,5 mP = 85 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla el alargamiento total δ.

P = 85 kNtramo 1: Ø40 mm, 1 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 1,5 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m20 × 50 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 30 mmsección

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 15 kN/mc = 770 N·s/mm = 40 kg

Una masa de 40 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 15 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 770 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 40 kgk = 15 kN/mc = 770 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 15m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 60 kN/m y k₂ = 15 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 50 kgk1 = 60 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 56,8 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 = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Par de salida

T2 = 36,22·32/20·0,98 = 56,8 N·m

Respuesta

T2 = 56,8 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 1,827 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 = 3,102 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9305 = 2,536, T₂ = 500/2,536 = 197,2 N

Potencia

P = (500 − 197,2)·6,032 = 1,827 kW

Respuesta

P = 1,827 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 7,858 °

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(40⁴ − 24⁴)/32 = 218755 mm⁴

Ángulo de torsión

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 2 × 10⁶·1200/(80000·218755) = 0,1371 rad
φ = 0,1371·180/π = 7,858°

Respuesta

φ = 7,858°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 41,78 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 a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·716197/(π·50)) = 41,78 mm

Respuesta

d = 41,78 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 74,83 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 = (100 + 0)/2 = 50 MPa
R = σ1 − C = 140 − 50 = 90 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(90² − 50²) = 74,83 MPa

Respuesta

τxy = 74,83 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 35,76 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 = F/A = 30000/(π·60²/4) = 30000/2827 = 10,61 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·60³) = 35,37 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 5,305 MPa
R = √(5,305² + 35,37²) = 35,76 MPa

Respuesta

τmax = 35,76 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 7,15 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 115·1000/201,1 = 572 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 572/200000 = 0,00286 = 2860 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,00286·2500 mm = 7,15 mm

Respuesta

δ = 7,15 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 4,137 mm

Elementos con carga axial: cada tramo prismático cumple δ = PL/(AE). En tramos en serie los alargamientos se suman.

La misma fuerza en ambos tramos

El extremo libre soporta P, así que cada sección de la barra soporta el mismo esfuerzo axial P. Solo cambian las áreas y los materiales.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 67,64 MPa
σ2 = 422,8 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 67,64·1000/70000 = 0,9663 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 422,8·1500/200000 = 3,171 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,137 mm

Respuesta

δ = 4,137 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 5,757 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·2000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/2000² = 5757 N = 5,757 kN

Respuesta

Pcr = 5,757 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 49,35 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 1·1500 = 1500 mm
KL/r = 1500/7,5 = 200

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Respuesta

σcr = 49,35 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,497

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·√(15000·40) = 1549 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 770/1549 = 0,497

Respuesta

ζ = 0,497

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 75 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 = 60 + 15 = 75 kN/m

Respuesta

keq = 75 kN/m

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