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​ = 100 mmd2​ = 200 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 100 mm a 1500 rpm. La tensión es de 600 N en el ramal tenso y de 150 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 100 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 50B = 80C = 40D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (50 dientes) del eje de entrada gira a 2880 rpm y acciona la rueda B (80 dientes). La rueda C (40 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 1500 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 2880 rpmA = 50B = 80C = 40nout = 1500 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 75 mmd2​ = 30 mmT = 500 N·mABC1,5 m2 m

Un eje macizo escalonado de acero está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 75 mm y una longitud de 1,5 m; el tramo BC tiene un diámetro de 30 mm y una longitud de 2 m. En el extremo libre C actúa un par de 500 N·m. Halla el ángulo de torsión φC del extremo C, en grados.

T = 500 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,5 md2 = 30 mm, L2 = 2 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 50 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 200 N·mABC2 m3 m

Un eje macizo de latón de 50 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 2 m de A, actúa un par de 200 N·m, y en el extremo libre C, 3 m más allá, actúa un par de 200 N·m en el mismo sentido. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 50 mmTB = 200 N·mTC = 200 N·mAB = 2 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 60σy​ = 70τxy​ = −60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 60 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 60 MPaσy = 70 MPaτxy = −60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 50 mm de diámetro soporta una fuerza axial de compresión de 200 kN junto con un par de 1500 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión principal mayor σ1.

d = 50 mmF = −200 kNT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
250 kNØ40100 GPaØ120/50400 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 120 mm, diámetro interior 50 mm, E = 100 GPa). Ambos miden 400 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 250 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 250 kNbarra: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø30120 GPaØ80/50400 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 150 MPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 120 GPa, tensión admisible 100 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 m50 × 80 mmsección

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

L = 3 mE = 200 GPa (acero)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 25 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 25 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 25 kNn = 2L = 2,5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mc = 850 N·s/mm = 25 kg

Una masa de 25 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 80 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 850 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 25 kgk = 80 kN/mc = 850 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 30m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 15 kN/m y el inferior k₂ = 30 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 50 kgk1 = 15 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 3,534 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 = 7,854 m/s

Potencia

P = (600 − 150)·7,854 = 3534 W = 3,534 kW

Respuesta

P = 3,534 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 48

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 = 2880·50/80 = 1800 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 40·1800/1500 = 48

Respuesta

ND = 48
3.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 9,179 °

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.

Momentos polares

J1 = π·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torsión de cada tramo

T = 500 N·m = 500000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 500000·1500/(80000·3,106 × 10⁶) = 0,003018 rad
φBC = 500000·2000/(80000·79522) = 0,1572 rad

Torsión total

φC = 0,003018 + 0,1572 = 0,1602 rad = 9,179°

Respuesta

φC = 9,179°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 16,3 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.

Pares internos

Se toma positivo el sentido de TC.

TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC + TB = 200 + 200 = 400 N·m

Tensión cortante máxima

El tramo con el mayor par interno tiene la mayor tensión (mismo diámetro).

|T|max = 400 N·m
τmax = 16·400000/(π·50³) = 16,3 MPa

Respuesta

τmax = 16,3 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −47,38 °

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·−60, 60 − 70) = −94,76°

Ángulo en el elemento

θp = −47,38°

Respuesta

θp = −47,38°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ1 = 28,62 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 = −200000/(π·50²/4) = −200000/1963 = −101,9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −50,93 MPa
R = √((−50,93)² + 61,12²) = 79,55 MPa
σ1 = C + R = 28,62 MPa
σ2 = C − R = −130,5 MPa

Respuesta

σ1 = 28,62 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,08432 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 100·10³·9346 = 1,186 × 10⁹ N

Acortamiento

δ = 250000·400/1,186 × 10⁹ = 0,08432 mm

Respuesta

δ = 0,08432 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 381,7 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

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·3063 = 5,089 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00075, 0,0008333) = 0,00075 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,00075·5,089 × 10⁸ = 381704 N = 381,7 kN

Respuesta

Pmax = 381,7 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 373 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/2100² = 373001 N = 373 kN

Respuesta

Pcr = 373 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 59,93 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 = 2·25000 = 50000 N
KL = 2·2500 = 5000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·50000·5000²/(π³·200000))^(1/4) = 59,93 mm

Respuesta

d = 59,93 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 333,7, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,3005

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·√(80000·25) = 2828 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 850/2828 = 0,3005

Respuesta

ζ = 0,3005

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 10 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 + 1/30 → keq = 15·30/(15 + 30) = 10 kN/m

Respuesta

keq = 10 kN/m

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