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​ = 30, m = 5 mm

Un motor de 22 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 30 dientes y módulo 5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 22 kWn = 1450 rpmN1 = 30m = 5 mm
Ft = N
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 600 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 120 mm y una polea de 400 mm cuyos centros están separados 600 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 120 mmd2 = 400 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
do​ = ?T = 100 N·m

Un eje hueco debe transmitir un par de 100 N·m. Su diámetro interior debe ser 0,6 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 50 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

T = 100 N·mdi/do = 0,6τallow = 50 MPa
do = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 15 kW a 3000 rpm sin que la tensión cortante supere 50 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 15 kWN = 3000 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 40σy​ = 50MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 40 MPa y σᵧ = 50 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 105 MPa?

σx = 40 MPaσy = 50 MPaσ1 = 105 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −30σy​ = −60τxy​ = 20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −30 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 40° en sentido antihorario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −30 MPaσy = −60 MPaτxy = 20 MPaθ = 40°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12300 mm300 mmØ25Ø60δ = 0,4 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 300 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de cobre (diámetro 60 mm, longitud 300 mm, E = 120 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,4 mm en total.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø60 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmCobre1,5 mØ 12 mmCobre1 mP = 110 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 = 110 kNtramo 1: Ø35 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1 m20 × 80 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 = 1 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 30 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en la base y articulado arriba. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 10 kN/mζ = 0,35m = 40 kg

Una masa de 40 kg sobre un muelle con una rigidez de 10 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,35. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 40 kgk = 10 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 60m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 15 kN/m y el inferior k₂ = 60 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 25 kgk1 = 15 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 1932 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 22000/151,8 = 144,9 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 5·30 = 150 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·144,9/0,15 = 1932 N

Respuesta

Ft = 1932 N
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 153 °

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(0,2333) = 13,49°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·13,49 = 153°

Respuesta

θ = 153°
3.Torsión de ejes

Respuesta: do = 22,7 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.

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·50·0,8704)) = 22,7 mm
di = 0,6·22,7 = 13,62 mm

Respuesta

do = 22,7 mm

Un eje macizo necesitaría d = 21,68 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 16,94 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 15000/314,2 = 47,75 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·47746/(π·50)) = 16,94 mm

Respuesta

d = 16,94 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 59,79 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 = (40 + 50)/2 = 45 MPa
R = σ1 − C = 105 − 45 = 60 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(60² − 5²) = 59,79 MPa

Respuesta

τxy = 59,79 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = −11,3 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 = −15·0,9848 + 20·0,1736 = −11,3 MPa

Respuesta

τθ = −11,3 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 101,5 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 = 490,9 mm², A₂ = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·2827) = 8,842 × 10⁻⁷ mm/N

Carga

P = 0,4/3,94 × 10⁻⁶ = 101524 N = 101,5 kN

Respuesta

P = 101,5 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 972,6 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 114,3 MPa
σ2 = 972,6 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 972,6 MPa

Respuesta

σmax = 972,6 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 36,85 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·1000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·53333/1000² = 36847 N = 36,85 kN

Respuesta

Pcr = 36,85 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 35,25 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 = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/7,5 = 140

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Respuesta

σcr = 35,25 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,357 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(10000/40) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,35²) = 2,357 Hz

Respuesta

fd = 2,357 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 12 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/15 + 1/60 → keq = 15·60/(15 + 60) = 12 kN/m

Respuesta

keq = 12 kN/m

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