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​ = ?N2​

Dos ejes paralelos están a 100 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 2,5 mm y una reducción de velocidad de 3 : 1. ¿Cuántos dientes N1 debe tener el piñón?

a = 100 mmm = 2,5 mmi = 3
N1 =
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 25B = 48C = 60D = 72

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (25 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (60 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (72 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 960 rpmA = 25B = 48C = 60D = 72
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 30, di​ = 18 mmT = 400 N·mL = 2 m

Un eje hueco de latón (diámetro exterior 30 mm, diámetro interior 18 mm, longitud 2 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 400 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 400 N·mdo = 30 mmdi = 18 mmL = 2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 24 mm

Un eje hueco transmite 75 kW a 300 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 75 kWN = 300 rpmdo = 40 mmdi = 24 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 160σy​ = 90τxy​ = −50MPa

En un punto σₓ = 160 MPa, σᵧ = 90 MPa y τₓᵧ = −50 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 = 160 MPaσy = 90 MPaτxy = −50 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 120σy​ = −30τxy​ = −20MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 120 MPa, σᵧ = −30 MPa y τₓᵧ = −20 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 420 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de Tresca (tensión cortante máxima).

σx = 120 MPaσy = −30 MPaτxy = −20 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12500 mm500 mmØ40Ø40δ = 0,5 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de latón (diámetro 40 mm, longitud 500 mm, E = 100 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,5 mm en total.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: latón, Ø40 mm, 500 mm, E = 100 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø40110 GPaØ80/50300 mm

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 250 MPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 110 GPa, tensión admisible 100 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 md = 25 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y articulado arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (acero)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 55 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 55 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 55 kNn = 3L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 1 kN/mc = 120 N·s/mm = 10 kg

Una masa de 10 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 1 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 120 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 10 kgk = 1 kN/mc = 120 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 60m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 40 kN/m y k₂ = 60 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 = 40 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N1 = 20

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.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·100/2,5 = 80

Reparte según la relación

N1 = 80/(1 + 3) = 20

Respuesta

N1 = 20
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 416,7 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 = 960·25/48 = 500 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 500·60/72 = 416,7 rpm

Respuesta

nout = 416,7 rpm

relación total = 2,304 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 16,98 °

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 = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 400000·2000/(39000·69216) = 0,2964 rad
φ = 0,2964·180/π = 16,98°

Respuesta

φ = 16,98°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 218,3 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 75000/31,42 = 2387 N·m

Momento polar de inercia

J = π(40⁴ − 24⁴)/32 = 218755 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 2,387 × 10⁶·20/218755 = 218,3 MPa

Respuesta

τmax = 218,3 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = −72,5 °

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 = −50/61,03 = −0,8192, sin 2θs = −35/61,03 = −0,5735
2θs = atan2(−35, −50) = −145°

Ángulo en el elemento

θs = −72,5°
comprobación: θs − θp = −72,5 − (−27,5) = −45°

Respuesta

θs = −72,5°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 2,705

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. Criterios de plastificación: von Mises predice la plastificación cuando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) alcanza σY; Tresca, cuando la tensión cortante máxima absoluta alcanza σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = 45 MPa, R = 77,62 MPa
σ1 = 122,6 MPa, σ2 = −32,62 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 155,2 MPa
n = 420/155,2 = 2,705

Respuesta

n = 2,705

n > 1 significa que el punto no plastifica; Tresca es algo más conservador que von Mises.

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 83,78 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 = 1257 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(100000·1257) = 3,979 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,5/5,968 × 10⁻⁶ = 83776 N = 83,78 kN

Respuesta

P = 83,78 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 534,8 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·3063 = 5,883 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00125, 0,0009091) = 0,0009091 (bronce)

Mayor carga

Pmax = 0,0009091·5,883 × 10⁸ = 534785 N = 534,8 kN

Respuesta

Pmax = 534,8 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 4,828 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2800² = 4828 N = 4,828 kN

Respuesta

Pcr = 4,828 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 52,51 mm

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.

Carga crítica necesaria

Pcr = n·P = 3·55000 = 165000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·1250²/(π³·70000))^(1/4) = 52,51 mm

Respuesta

d = 52,51 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 95,22, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,6

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·√(1000·10) = 200 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 120/200 = 0,6

Respuesta

ζ = 0,6

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 22,51 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 = 40 + 60 = 100 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(100000/5) = 141,4 rad/s
fn = 141,4/(2π) = 22,51 Hz

Respuesta

fn = 22,51 Hz

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