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​ = ?N2​

Dos ejes paralelos están a 112,5 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 2,5 mm y una reducción de velocidad de 2 : 1. ¿Cuántos dientes N1 debe tener el piñón?

a = 112,5 mmm = 2,5 mmi = 2
N1 =
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 45C = 18D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (20 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (45 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 20B = 45C = 18D = 45
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 500 N·md = 25 mmL = 1,5 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 = 500 N·md = 25 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 100 mm, di​ = 80 mm

Un eje hueco transmite 100 kW a 1800 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 100 kWN = 1800 rpmdo = 100 mmdi = 80 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 20σy​ = −60τxy​ = 20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 20 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 20 MPaσy = −60 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 90σy​ = 10τxy​ = −10MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 90 MPa, σᵧ = 10 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 90 MPaσy = 10 MPaτxy = −10 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 20 mmAcero3 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 20 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø30110 GPaØ100/60600 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 200 MPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 110 GPa, tensión admisible 50 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 md = 50 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 = 4 mE = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 6 md = 30 mmsección

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

L = 6 mE = 200 GPa (acero)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm4 ciclos11,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 11,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx4 = 11,8 mmn = 4
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 50k3​ = 50m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga del muelle k₃ = 50 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 = 50 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 = 10 kgk1 = 80 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: N1 = 30

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·112,5/2,5 = 90

Reparte según la relación

N1 = 90/(1 + 2) = 30

Respuesta

N1 = 30
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 515,6 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 = 2900·20/45 = 1289 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1289·18/45 = 515,6 rpm

Respuesta

nout = 515,6 rpm

relación total = 5,625 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 14,01 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1500/(80000·38350) = 0,2445 rad
φ = 0,2445·180/π = 14,01°

Respuesta

φ = 14,01°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 4,576 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 100000/188,5 = 530,5 N·m

Momento polar de inercia

J = π(100⁴ − 80⁴)/32 = 5,796 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 530516·50/5,796 × 10⁶ = 4,576 MPa

Respuesta

τmax = 4,576 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 13,28 °

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(2·20, 20 − −60) = 26,57°

Ángulo en el elemento

θp = 13,28°

Respuesta

θp = 13,28°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 87,18 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. 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 = 50 MPa, R = 41,23 MPa
σ1 = 91,23 MPa, σ2 = 8,769 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(91,23² − 91,23·8,769 + 8,769²) = 87,18 MPa

Respuesta

σvM = 87,18 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 4,297 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 90·1000/314,2 = 286,5 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 286,5/200000 = 0,001432 = 1432 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,001432·3000 mm = 4,297 mm

Respuesta

δ = 4,297 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 315,6 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(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·5027 = 6,943 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,001, 0,0004545) = 0,0004545 (bronce)

Mayor carga

Pmax = 0,0004545·6,943 × 10⁸ = 315587 N = 315,6 kN

Respuesta

Pmax = 315,6 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 52,99 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 = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/2000² = 52989 N = 52,99 kN

Respuesta

Pcr = 52,99 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 6,294 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/7,5 = 560

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/560² = 6,294 MPa

Respuesta

σcr = 6,294 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,02986

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(25/11,8) = 0,1877

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1877/√(39,48 + 0,03523) = 0,02986

Respuesta

ζ = 0,02986
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 9,564 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 + 50 = 130 kN/m
keq = 130·50/(130 + 50) = 36,11 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(36111/10) = 60,09 rad/s
fn = 60,09/(2π) = 9,564 Hz

Respuesta

fn = 9,564 Hz

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