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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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​ = 24, m = 5 mm

Un motor de 2,2 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 24 dientes y módulo 5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 2,2 kWn = 2900 rpmN1 = 24m = 5 mm
Ft = N
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 600 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 100 mm y una polea de 300 mm cuyos centros están separados 600 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 100 mmd2 = 300 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 30, di​ = 18 mmT = 200 N·mL = 2,5 m

Un eje hueco de acero (diámetro exterior 30 mm, diámetro interior 18 mm, longitud 2,5 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 200 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 200 N·mdo = 30 mmdi = 18 mmL = 2,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 50 mmT0​ = 400 N·mACBa = 2,5 mb = 2 m

Un eje macizo de aluminio de 50 mm de diámetro está empotrado en muros rígidos en sus dos extremos A y B. Se aplica un par de 400 N·m en C, a 2,5 m de A y a 2 m de B. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 50 mmT0 = 400 N·ma = 2,5 mb = 2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 30σy​ = 20τxy​ = −40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 30 MPa, σᵧ = 20 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 30 MPaσy = 20 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −80σy​ = −40τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −80 MPa, σᵧ = −40 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −80 MPaσy = −40 MPaτxy = −30 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12300 mm400 mmØ30Ø60δ = 0,2 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 300 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de cobre (diámetro 60 mm, longitud 400 mm, E = 120 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,2 mm en total.

tramo 1: acero, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø60 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmLatón2 mØ 12 mmLatón1,5 mP = 70 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla la tensión normal máxima σmax en la barra.

P = 70 kNtramo 1: Ø40 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 1,5 m, latón (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 m50 × 60 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 = 3 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 6 md = 60 mmsección

Un pilar de longitud L de acero 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 = 200 GPa (acero)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 1 kN/mc = 20 N·s/mm = 8 kg

Una masa de 8 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 1 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 20 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 8 kgk = 1 kN/mc = 20 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 30m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 25 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 = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 120,7 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Par en el piñón

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 2200/303,7 = 7,244 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 5·24 = 120 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·7,244/0,12 = 120,7 N

Respuesta

Ft = 120,7 N
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 160,8 °

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 la correa

asin(0,1667) = 9,594°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·9,594 = 160,8°

Respuesta

θ = 160,8°
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 5,174 °

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(30⁴ − 18⁴)/32 = 69216 mm⁴

Ángulo de torsión

T = 200 N·m = 200000 N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 200000·2500/(80000·69216) = 0,0903 rad
φ = 0,0903·180/π = 5,174°

Respuesta

φ = 5,174°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 9,054 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. Cuando ambos extremos están empotrados, la estática por sí sola solo da TA + TB = T₀; la segunda ecuación es la compatibilidad (igual torsión de ambas partes en la sección cargada).

Equilibrio y compatibilidad

TA + TB = 400
TA·a = TB·b
TA = 400·2/4,5 = 177,8 N·m
TB = 400·2,5/4,5 = 222,2 N·m

Tensión cortante máxima

Manda el mayor de los dos pares (mismo diámetro).

τmax = 16·222222/(π·50³) = 9,054 MPa

Respuesta

τmax = 9,054 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −41,44 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr, el punto x está a un ángulo 2θp del eje σ; el cuadrante se deduce de los signos de σₓ − σᵧ y τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−40, 30 − 20) = −82,87°

Ángulo en el elemento

θp = −41,44°

Respuesta

θp = −41,44°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −94,6 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 = −60 + −20·0,766 + −30·0,6428 = −94,6 MPa

Respuesta

σθ = −94,6 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 60,59 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 = 706,9 mm², A₂ = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·706,9) = 2,122 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·2827) = 1,179 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,2/3,301 × 10⁻⁶ = 60588 N = 60,59 kN

Respuesta

P = 60,59 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 618,9 MPa

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 55,7 MPa
σ2 = 618,9 MPa

Tensión máxima

El tramo más delgado tiene menos área, así que soporta la tensión mayor.

σmax = 618,9 MPa

Respuesta

σmax = 618,9 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 11,99 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/6000² = 11994 N = 11,99 kN

Respuesta

Pcr = 11,99 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 3,084 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·6000 = 12000 mm
KL/r = 12000/15 = 800

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/800² = 3,084 MPa

Respuesta

σcr = 3,084 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1118

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·√(1000·8) = 178,9 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 20/178,9 = 0,1118

Respuesta

ζ = 0,1118

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,902 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 = 25 + 30 = 55 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(55000/40) = 37,08 rad/s
fn = 37,08/(2π) = 5,902 Hz

Respuesta

fn = 5,902 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design