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
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm960 rpmT1​ = 400 NT2​ = 160 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 960 rpm. La tensión es de 400 N en el ramal tenso y de 160 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 160 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 40B = 60C = 15D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (40 dientes) del eje de entrada gira a 960 rpm y acciona la rueda B (60 dientes). La rueda C (15 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 320 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 960 rpmA = 40B = 60C = 15nout = 320 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 1000 N·mL = 1,5 m

Un eje macizo de acero de 1,5 m de longitud transmite un par de 1000 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 1°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 1000 N·mL = 1,5 mG = 80 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 100 kW a 1800 rpm sin que la tensión cortante supere 50 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 100 kWN = 1800 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −20σy​ = 100MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = −20 MPa y σᵧ = 100 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 140 MPa?

σx = −20 MPaσy = 100 MPaσ1 = 140 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −70σy​ = −80τxy​ = 30MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = −70 MPa, σᵧ = −80 MPa y τₓᵧ = 30 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 = −70 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPaσY = 275 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12500 mm400 mmØ40Ø40δ = 0,25 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 aluminio (diámetro 40 mm, longitud 400 mm, E = 70 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,25 mm en total.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø40 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmAluminio1 mØ 12 mmAcero2 mP = 110 kN

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

P = 110 kNtramo 1: Ø35 mm, 1 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 2 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 md = 30 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1 md = 60 mmsección

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

L = 1 mE = 70 GPa (aluminio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx30 mm5 ciclos8,5 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 30 mm le sigue 5 ciclos después un pico de 8,5 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 30 mmx5 = 8,5 mmn = 5
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 20m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 30 kN/m y el inferior k₂ = 20 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 0,9651 kW

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.

Velocidad de la correa

v = 4,021 m/s

Potencia

P = (400 − 160)·4,021 = 965,1 W = 0,9651 kW

Respuesta

P = 0,9651 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 30

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 = 960·40/60 = 640 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 15·640/320 = 30

Respuesta

ND = 30
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 = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 1 × 10⁶·1500/(80000·0,01745) = 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: d = 37,81 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 100000/188,5 = 530,5 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·530516/(π·50)) = 37,81 mm

Respuesta

d = 37,81 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 80 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 = (−20 + 100)/2 = 40 MPa
R = σ1 − C = 140 − 40 = 100 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(100² − 60²) = 80 MPa

Respuesta

τxy = 80 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 2,609

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.

σxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = −75 MPa, R = 30,41 MPa
σ1 = −44,59 MPa, σ2 = −105,4 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 105,4 MPa
n = 275/105,4 = 2,609

Respuesta

n = 2,609

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

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 38,25 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) = 400/(70000·1257) = 4,547 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/6,537 × 10⁻⁶ = 38245 N = 38,25 kN

Respuesta

P = 38,25 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 11,36 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 114,3 MPa
σ2 = 972,6 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 114,3·1000/70000 = 1,633 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 972,6·2000/200000 = 9,726 mm
δ = δ1 + δ2 = 11,36 mm

Respuesta

δ = 11,36 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 4,395 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/2500² = 4395 N = 4,395 kN

Respuesta

Pcr = 4,395 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 38,86 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/15 = 133,3

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/133,3² = 38,86 MPa

Respuesta

σcr = 38,86 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04011

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 = (1/5)·ln(30/8,5) = 0,2522

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2522/√(39,48 + 0,06362) = 0,04011

Respuesta

ζ = 0,04011
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,513 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/30 + 1/20 → keq = 30·20/(30 + 20) = 12 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(12000/10) = 34,64 rad/s
fn = 34,64/(2π) = 5,513 Hz

Respuesta

fn = 5,513 Hz

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