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​ = 18N2​ = 32

Un motor de 15 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 18 dientes, que engrana con una rueda de 32 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 32η = 95%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 30B = 60C = 15D = 60

Un motor de 5,5 kW a 960 rpm acciona la rueda A (30 dientes), que engrana con la rueda B (60 dientes). La rueda C (15 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (60 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 5,5 kWnin = 960 rpmA = 30B = 60C = 15D = 60ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torsión de ejesMedia
do​ = ?T = 1500 N·m

Un eje hueco debe transmitir un par de 1500 N·m. Su diámetro interior debe ser 0,7 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 80 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

T = 1500 N·mdi/do = 0,7τallow = 80 MPa
do = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 20 kW a 500 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 20 kWN = 500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 90σy​ = 90τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 90 MPa, σᵧ = 90 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 90 MPaσy = 90 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −70σy​ = 70τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −70 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido horario respecto al eje x.

σx = −70 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
250 kNØ2070 GPaØ100/70300 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 70 GPa). Ambos miden 300 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 250 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 250 kNbarra: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmAluminio2 mØ 12 mmLatón1 mP = 120 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 = 120 kNtramo 1: Ø40 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 1 m, latón (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2,5 m30 × 100 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 80 kNL = 5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y articulado arriba. Debe soportar 80 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 80 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 5 kN/mc = 300 N·s/mm = 50 kg

Una masa de 50 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 5 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 300 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 50 kgk = 5 kN/mc = 300 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 5k3​ = 10m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 10 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 80 kN/m y k₂ = 5 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 = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 98,79 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Respuesta

T1 = 98,79 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 411,8 N·m

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 de salida

nout = 960·(30/60)·(15/60) = 120 rpm
ωout = 2π·120/60 = 12,57 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 5500·0,97² = 5175 W
Tout = Pout/ωout = 5175/12,57 = 411,8 N·m

Respuesta

Tout = 411,8 N·m
3.Torsión de ejes

Respuesta: do = 50,09 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 = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,5 × 10⁶/(π·80·0,7599)) = 50,09 mm
di = 0,7·50,09 = 35,06 mm

Respuesta

do = 50,09 mm

Un eje macizo necesitaría d = 45,71 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 31,89 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 20000/52,36 = 382 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·60)) = 31,89 mm

Respuesta

d = 31,89 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 60 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.

στxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((90 − 90)/2)² + 60²) = 60 MPa

Respuesta

τmax = 60 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −72,91 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 = 0 + −70·0,766 + 30·−0,6428 = −72,91 MPa

Respuesta

σθ = −72,91 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,2185 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·4006 = 3,432 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 250000·300/3,432 × 10⁸ = 0,2185 mm

Respuesta

δ = 0,2185 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 1061 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 = 95,49 MPa
σ2 = 1061 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 1061 MPa

Respuesta

σmax = 1061 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 24,87 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·2500 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·225000/2500² = 24871 N = 24,87 kN

Respuesta

Pcr = 24,87 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 70,91 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 = 2,5·80000 = 200000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 70,91 mm

Respuesta

d = 70,91 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 197,4, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,3

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·√(5000·50) = 1000 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 300/1000 = 0,3

Respuesta

ζ = 0,3

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,38 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 = 80 + 5 = 85 kN/m
keq = 85·10/(85 + 10) = 8,947 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(8947/40) = 14,96 rad/s
fn = 14,96/(2π) = 2,38 Hz

Respuesta

fn = 2,38 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design