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​ = 36N2​ = 50

Un motor de 7,5 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 50 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 36N2 = 50η = 98%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 50B = 72C = 25D = 50

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (50 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (72 dientes). El engranaje C (25 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (50 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1450 rpmA = 50B = 72C = 25D = 50
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 200 N·md = 40 mmL = 2,5 mφ = ?

Un eje macizo de latón está empotrado en la pared y se tuerce con un par T en su extremo libre. Halla el ángulo de torsión φ del extremo libre, en grados.

T = 200 N·md = 40 mmL = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 32 mm

Un eje hueco transmite 50 kW a 750 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 50 kWN = 750 rpmdo = 40 mmdi = 32 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −20σy​ = 100τxy​ = 40MPa

En un punto σₓ = −20 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 25° en sentido antihorario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = −20 MPaσy = 100 MPaτxy = 40 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 40τxy​ = −40MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 40 MPa, σᵧ = 0 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 275 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de Tresca (tensión cortante máxima).

σx = 40 MPaσy = 0 MPaτxy = −40 MPaσY = 275 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
200 kNØ3070 GPaØ80/50800 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 70 GPa). Ambos miden 800 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 200 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 200 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmLatón2 mØ 16 mmAluminio1 mP = 25 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 = 25 kNtramo 1: Ø30 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 1 m, aluminio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 md = 50 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 = 3 mE = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 110 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 110 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 110 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm4 ciclos8,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 8,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 8,8 mmn = 4
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 15k3​ = 5m = 5 kg

Una masa de 5 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 = 20 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 = 5 kgk1 = 20 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 49,39 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 = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Respuesta

T1 = 49,39 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 503,5 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 = 1450·50/72 = 1007 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1007·25/50 = 503,5 rpm

Respuesta

nout = 503,5 rpm

relación total = 2,88 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 2,923 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 200·1000·2500/(39000·251327) = 0,05101 rad
φ = 0,05101·180/π = 2,923°

Respuesta

φ = 2,923°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 85,81 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 50000/78,54 = 636,6 N·m

Momento polar de inercia

J = π(40⁴ − 32⁴)/32 = 148384 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 636620·20/148384 = 85,81 MPa

Respuesta

τmax = 85,81 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = 47,93 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 para la cara y′

σy′ = 40 − (−60)·0,6428 − 40·0,766 = 47,93 MPa

Comprobación

La suma de las tensiones normales no cambia con el giro.

σx′ = 32,07 MPa, σx′ + σy′ = 80 = σx + σy

Respuesta

σy′ = 47,93 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 3,075

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 = 20 MPa, R = 44,72 MPa
σ1 = 64,72 MPa, σ2 = −24,72 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 89,44 MPa
n = 275/89,44 = 3,075

Respuesta

n = 3,075

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

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,4497 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·3063 = 3,558 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 200000·800/3,558 × 10⁸ = 0,4497 mm

Respuesta

δ = 0,4497 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 124,3 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 35,37 MPa
σ2 = 124,3 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 124,3 MPa

Respuesta

σmax = 124,3 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 5,888 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/6000² = 5888 N = 5,888 kN

Respuesta

Pcr = 5,888 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 105,2 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 = 3·110000 = 330000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·330000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 105,2 mm

Respuesta

d = 105,2 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 228,1, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,06014

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 = (1/4)·ln(40/8,8) = 0,3785

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3785/√(39,48 + 0,1433) = 0,06014

Respuesta

ζ = 0,06014
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,708 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 = 20 + 15 = 35 kN/m
keq = 35·5/(35 + 5) = 4,375 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(4375/5) = 29,58 rad/s
fn = 29,58/(2π) = 4,708 Hz

Respuesta

fn = 4,708 Hz

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