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
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 160 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm. La tensión es de 800 N en el ramal tenso y de 160 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 160 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 72C = 16D = 20

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (20 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (72 dientes). El engranaje C (16 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (20 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 20B = 72C = 16D = 20
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 50 mmd2​ = 30 mmT = 1000 N·mABC3 m2,5 m

Un eje macizo escalonado de aluminio está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 50 mm y una longitud de 3 m; el tramo BC tiene un diámetro de 30 mm y una longitud de 2,5 m. En el extremo libre C actúa un par de 1000 N·m. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

T = 1000 N·md1 = 50 mm, L1 = 3 md2 = 30 mm, L2 = 2,5 m
τmax = MPa
4.Torsión de ejesDifícil
d = 30 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 500 N·mABC2,5 m0,8 m

Un eje macizo de aluminio de 30 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 2,5 m de A, actúa un par de 200 N·m, y en el extremo libre C, 0,8 m más allá, actúa un par de 500 N·m en sentido contrario. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 30 mmTB = 200 N·mTC = 500 N·mAB = 2,5 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 40σy​ = −70τxy​ = 50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 40 MPa, σᵧ = −70 MPa y τₓᵧ = 50 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 40 MPaσy = −70 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −60σy​ = −50τxy​ = −40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −60 MPa, σᵧ = −50 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 25° en sentido antihorario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = −50 MPaτxy = −40 MPaθ = 25°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
250 kNØ25120 GPaØ100/60800 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 120 GPa). Ambos miden 800 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 250 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 250 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
80 kN12600 mm500 mmØ25Ø30σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 30 mm, longitud 500 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 80 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø30 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 m25 × 40 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 = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 6 md = 40 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 = 6 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm1 ciclo12,4 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue un ciclo después un pico de 12,4 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx1 = 12,4 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 15k3​ = 5m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 5 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 = 15 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 = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,021 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.

Velocidad de la correa

v = 6,283 m/s

Potencia

P = (800 − 160)·6,283 = 4021 W = 4,021 kW

Respuesta

P = 4,021 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 644,4 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 = 2900·20/72 = 805,6 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 805,6·16/20 = 644,4 rpm

Respuesta

nout = 644,4 rpm

relación total = 4,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 188,6 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.

Tensión en cada tramo

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
τAB = 16·1 × 10⁶/(π·50³) = 40,74 MPa
τBC = 16·1 × 10⁶/(π·30³) = 188,6 MPa

Respuesta

τmax = 188,6 MPa
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 94,31 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.

Pares internos

Se toma positivo el sentido de TC.

TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC − TB = 500 − 200 = 300 N·m

Tensión cortante máxima

El tramo con el mayor par interno tiene la mayor tensión (mismo diámetro).

|T|max = 500 N·m
τmax = 16·500000/(π·30³) = 94,31 MPa

Respuesta

τmax = 94,31 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 21,14 °

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(2·50, 40 − −70) = 42,27°

Ángulo en el elemento

θp = 21,14°

Respuesta

θp = 21,14°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = −21,88 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

τθ = −−5·0,766 + −40·0,6428 = −21,88 MPa

Respuesta

τθ = −21,88 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,2852 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·5027 = 7,014 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 250000·800/7,014 × 10⁸ = 0,2852 mm

Respuesta

δ = 0,2852 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 55,15 MPa

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.

Rigideces

k₁ = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 110000·706,9/500 = 155509 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 80000·155509/319133 = 38983 N

Tensión

σ2 = 38983/706,9 = 55,15 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 55,15 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 3,998 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·1500 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/3000² = 3998 N = 3,998 kN

Respuesta

Pcr = 3,998 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 11,19 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/10 = 420

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/420² = 11,19 MPa

Respuesta

σcr = 11,19 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,03028

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/1)·ln(15/12,4) = 0,1904

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1904/√(39,48 + 0,03623) = 0,03028

Respuesta

ζ = 0,03028
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 1,034 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 + 15 = 27 kN/m
keq = 27·5/(27 + 5) = 4,219 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(4219/100) = 6,495 rad/s
fn = 6,495/(2π) = 1,034 Hz

Respuesta

fn = 1,034 Hz

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