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​ = 20N2​ = 25

Un motor de 0,75 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 25 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 0,75 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 25η = 95%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 48C = 32D = 40

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (24 dientes), en el eje de entrada que gira a 3000 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (32 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (40 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 3000 rpmA = 24B = 48C = 32D = 40
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 200 N·md = 30 mmL = 1 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 = 30 mmL = 1 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 20 mmTB​ = 250 N·mTC​ = 400 N·mABC0,8 m0,8 m

Un eje macizo de aluminio de 20 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 0,8 m de A, actúa un par de 250 N·m, y en el extremo libre C, 0,8 m más allá, actúa un par de 400 N·m en sentido contrario. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 20 mmTB = 250 N·mTC = 400 N·mAB = 0,8 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −80σy​ = −70τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −80 MPa, σᵧ = −70 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = −80 MPaσy = −70 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −10σy​ = 110τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −10 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 25° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −10 MPaσy = 110 MPaτxy = 30 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmAcero0,5 mP = 40 kN

Halla la deformación axial ε en la barra de acero, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).

P = 40 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
100 kN12500 mm300 mmØ30Ø50σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 50 mm, longitud 300 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 100 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 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 = 5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 50 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 = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 1 kN/mζ = 0,45m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 1 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,45. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 10 kgk = 1 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 40m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 kN/m y el inferior k₂ = 40 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 8,859 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/100,5 = 7,46 N·m

Par de salida

T2 = 7,46·25/20·0,95 = 8,859 N·m

Respuesta

T2 = 8,859 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1200 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 = 3000·24/48 = 1500 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1500·32/40 = 1200 rpm

Respuesta

nout = 1200 rpm

relación total = 2,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,801 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1000/(80000·79522) = 0,03144 rad
φ = 0,03144·180/π = 1,801°

Respuesta

φ = 1,801°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 254,6 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 = 400 N·m
TAB = TC − TB = 400 − 250 = 150 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·20³) = 254,6 MPa

Respuesta

τmax = 254,6 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 48,56 °

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(2·40, −80 − −70) = 97,13°

Ángulo en el elemento

θp = 48,56°

Respuesta

θp = 48,56°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 34,41 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 = 50 + −60·0,6428 + 30·0,766 = 34,41 MPa

Respuesta

σθ = 34,41 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 407,4 µε

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 = 40·1000/490,9 = 81,49 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 81,49/200000 = 0,0004074 = 407,4 µε

Respuesta

ε = 407,4 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 36,57 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 = 200000·706,9/500 = 282743 N/mm
k₂ = 110000·1963/300 = 719948 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 100000·719948/1,003 × 10⁶ = 71802 N

Tensión

σ2 = 71802/1963 = 36,57 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 36,57 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 2,12 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 = 2·5000 = 10000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/10000² = 2120 N = 2,12 kN

Respuesta

Pcr = 2,12 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 11,99 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/12,5 = 240

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/240² = 11,99 MPa

Respuesta

σcr = 11,99 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,421 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(1000/10) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,45²) = 1,421 Hz

Respuesta

fd = 1,421 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,013 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 = 1/10 + 1/40 → keq = 10·40/(10 + 40) = 8 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(8000/50) = 12,65 rad/s
fn = 12,65/(2π) = 2,013 Hz

Respuesta

fn = 2,013 Hz

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