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​ = 25N2​ = 36

Un motor de 5,5 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 25 dientes, que engrana con una rueda de 36 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 5,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 36η = 95%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 45C = 45D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (15 dientes) del eje de entrada gira a 1440 rpm y acciona la rueda B (45 dientes). La rueda C (45 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 432 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 1440 rpmA = 15B = 45C = 45nout = 432 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 500 N·mL = 1,5 m

Un eje macizo de acero de 1,5 m de longitud transmite un par de 500 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 0,5°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 500 N·mL = 1,5 mG = 80 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = 25 mmT0​ = 250 N·mACBa = 0,5 mb = 0,8 m

Un eje macizo de latón de 25 mm de diámetro está empotrado en muros rígidos en sus dos extremos A y B. Se aplica un par de 250 N·m en C, a 0,5 m de A y a 0,8 m de B. Halla el ángulo de giro φC de la sección C, en grados.

d = 25 mmT0 = 250 N·ma = 0,5 mb = 0,8 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 80σy​ = 100τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 80 MPa, σᵧ = 100 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 = 80 MPaσy = 100 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 30 mm de diámetro soporta una fuerza axial de tracción de 100 kN junto con un par de 1000 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión principal mayor σ1.

d = 30 mmF = 100 kNT = 1000 N·m
σ1 = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 12 mmLatón1 mP = 65 kN

Halla la deformación axial ε en la barra de latón, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).

P = 65 kNd = 12 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 25 mmAluminio2 mØ 16 mmAluminio0,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtramo 1: Ø25 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 0,5 m, aluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1 m30 × 50 mmsección

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

L = 1 mE = 200 GPa (acero)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 65 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está articulado en ambos extremos. Debe soportar 65 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 65 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 10 kN/mc = 300 N·s/mm = 100 kg

Una masa de 100 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 10 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 300 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 100 kgk = 10 kN/mc = 300 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 20m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 30 kN/m y k₂ = 20 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 = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 18,11 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/303,7 = 18,11 N·m

Respuesta

T1 = 18,11 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 50

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 = 1440·15/45 = 480 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 45·480/432 = 50

Respuesta

ND = 50
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 57,51 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.

Momento polar necesario

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·1500/(80000·0,008727) = 1,074 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 57,51 mm

Respuesta

d = 57,51 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 2,947 °

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 = 250
TA·a = TB·b
TA = 250·0,8/1,3 = 153,8 N·m
TB = 250·0,5/1,3 = 96,15 N·m

Giro de C

Usa el tramo AC: está empotrado en A y transmite TA.

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 153846·500/(39000·38350) = 0,05143 rad = 2,947°

Respuesta

φC = 2,947°
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 52,02 °

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, 80 − 100) = 104°

Ángulo en el elemento

θp = 52,02°

Respuesta

θp = 52,02°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ1 = 272,2 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 = 100000/(π·30²/4) = 100000/706,9 = 141,5 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·30³) = 188,6 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 70,74 MPa
R = √(70,74² + 188,6²) = 201,5 MPa
σ1 = C + R = 272,2 MPa
σ2 = C − R = −130,7 MPa

Respuesta

σ1 = 272,2 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 5747 µε

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 65·1000/113,1 = 574,7 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 574,7/100000 = 0,005747 = 5747 µε

Respuesta

ε = 5747 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 4,218 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 91,67 MPa
σ2 = 223,8 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 91,67·2000/70000 = 2,619 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 223,8·500/70000 = 1,599 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,218 mm

Respuesta

δ = 4,218 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 55,52 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·1000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/2000² = 55517 N = 55,52 kN

Respuesta

Pcr = 55,52 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 73,98 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 = 2,5·65000 = 162500 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·162500·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 73,98 mm

Respuesta

d = 73,98 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 135,2, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,15

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·√(10000·100) = 2000 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 300/2000 = 0,15

Respuesta

ζ = 0,15

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 7,958 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 = 30 + 20 = 50 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(50000/20) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Respuesta

fn = 7,958 Hz

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