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 rpmn2​ = ?

Una polea de 100 mm a 1500 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 3 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 100 mmd2 = 200 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 60C = 24D = 80

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (60 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (80 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 12B = 60C = 24D = 80
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 200 N·md = 40 mmL = 2 mφ = ?

Un eje macizo de acero 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 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?30 kW, 1500 rpm

Un eje hueco debe transmitir 30 kW a 1500 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,75 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 50 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 30 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,75τallow = 50 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −80σy​ = −40τxy​ = 20MPa

En un punto σₓ = −80 MPa, σᵧ = −40 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 45° en sentido horario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = −80 MPaσy = −40 MPaτxy = 20 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −60σy​ = 40τxy​ = 50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −60 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = 50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 50° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −60 MPaσy = 40 MPaτxy = 50 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmAluminio2 mP = 20 kN

Halla el alargamiento δ de la barra de aluminio bajo la carga axial.

P = 20 kNd = 25 mmL = 2 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
20 kN12500 mm400 mmØ40Ø30σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) y un tramo de cobre (diámetro 30 mm, longitud 400 mm, E = 120 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 20 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø30 mm, 400 mm, E = 120 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 m40 × 60 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 = 4 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 6 md = 60 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 6 mE = 200 GPa (acero)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 20 kN/mc = 1600 N·s/mm = 200 kg

Una masa de 200 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 20 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 1600 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 200 kgk = 20 kN/mc = 1600 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 30m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 30 kN/m y el inferior k₂ = 30 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 727,5 rpm

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 sin deslizamiento

1500·100/200 = 750 rpm

Con deslizamiento

n2 = 750·0,97 = 727,5 rpm

Respuesta

n2 = 727,5 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 174 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 = 2900·12/60 = 580 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 580·24/80 = 174 rpm

Respuesta

nout = 174 rpm

relación total = 16,67 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,14 °

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) = 200·1000·2000/(80000·251327) = 0,01989 rad
φ = 0,01989·180/π = 1,14°

Respuesta

φ = 1,14°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 30,53 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 30000/157,1 = 191 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 191 N·m = 190986 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·190986/(π·50·0,6836)) = 30,53 mm
di = 0,75·30,53 = 22,9 mm

Respuesta

do = 30,53 mm

Un eje macizo necesitaría d = 26,89 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = −40 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′ = −60 − (−20)·0 − 20·(−1) = −40 MPa

Comprobación

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

σx′ = −80 MPa, σx′ + σy′ = −120 = σx + σy

Respuesta

σy′ = −40 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 47,92 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 = −10 + −50·−0,1736 + 50·0,9848 = 47,92 MPa

Respuesta

σθ = 47,92 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,164 mm

Ley de Hooke: en el rango elástico σ = E·ε. Junto con σ = P/A y ε = δ/L se obtiene δ = PL/(AE).

Tensión

A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 20·1000/490,9 = 40,74 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for aluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 40,74/70000 = 0,0005821 = 582,1 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0005821·2000 mm = 1,164 mm

Respuesta

δ = 1,164 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 8,395 MPa

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.

Rigideces

k₁ = 200000·1257/500 = 502655 N/mm
k₂ = 120000·706,9/400 = 212058 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 20000·212058/714712 = 5934 N

Tensión

σ2 = 5934/706,9 = 8,395 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 8,395 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 13,82 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·4000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·320000/4000² = 13817 N = 13,82 kN

Respuesta

Pcr = 13,82 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 49,35 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 = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Respuesta

σcr = 49,35 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,4

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·√(20000·200) = 4000 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 1600/4000 = 0,4

Respuesta

ζ = 0,4

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,757 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 + 1/30 → keq = 30·30/(30 + 30) = 15 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(15000/50) = 17,32 rad/s
fn = 17,32/(2π) = 2,757 Hz

Respuesta

fn = 2,757 Hz

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