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​ = 18N2​ = 40

Un motor de 4 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 18 dientes, que engrana con una rueda de 40 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 4 kWn1 = 960 rpmN1 = 18N2 = 40η = 96%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 40B = 72C = 12D = 50

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (40 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (72 dientes). El engranaje C (12 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (50 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 40B = 72C = 12D = 50
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 75 mmd2​ = 50 mmT = 750 N·mABC1,2 m0,8 m

Un eje macizo escalonado de aluminio está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 75 mm y una longitud de 1,2 m; el tramo BC tiene un diámetro de 50 mm y una longitud de 0,8 m. En el extremo libre C actúa un par de 750 N·m. Halla el ángulo de torsión φC del extremo C, en grados.

T = 750 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,2 md2 = 50 mm, L2 = 0,8 mG = 26 GPa
φC = °
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?30 kW, 1000 rpm

Un eje hueco debe transmitir 30 kW a 1000 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,6 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 60 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 30 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,6τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 20σy​ = 40τxy​ = 60MPa

En un punto σₓ = 20 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 30° en sentido horario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = 20 MPaσy = 40 MPaτxy = 60 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −70σy​ = −60τxy​ = −60MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = −70 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = −70 MPaσy = −60 MPaτxy = −60 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 10 mmLatón0,5 mP = 65 kN

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

P = 65 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmAluminio1,5 mØ 20 mmAluminio2 mP = 20 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla la tensión normal máxima σmax en la barra.

P = 20 kNtramo 1: Ø35 mm, 1,5 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 m40 × 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 = 6 mE = 200 GPa (acero)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1 md = 25 mmsección

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

L = 1 mE = 200 GPa (acero)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm4 ciclos14,6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 14,6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 14,6 mmn = 4
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 40m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 60 kN/m y k₂ = 40 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 60 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 84,88 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 = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Par de salida

T2 = 39,79·40/18·0,96 = 84,88 N·m

Respuesta

T2 = 84,88 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 200 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 = 1500·40/72 = 833,3 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 833,3·12/50 = 200 rpm

Respuesta

nout = 200 rpm

relación total = 7,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 2,793 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Torsión de cada tramo

T = 750 N·m = 750000 N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 750000·1200/(26000·3,106 × 10⁶) = 0,01114 rad
φBC = 750000·800/(26000·613592) = 0,03761 rad

Torsión total

φC = 0,01114 + 0,03761 = 0,04875 rad = 2,793°

Respuesta

φC = 2,793°
4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 30,34 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 30000/104,7 = 286,5 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 286,5 N·m = 286479 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·286479/(π·60·0,8704)) = 30,34 mm
di = 0,6·30,34 = 18,21 mm

Respuesta

do = 30,34 mm

Un eje macizo necesitaría d = 28,97 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = 86,96 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′ = 30 − (−10)·0,5 − 60·(−0,866) = 86,96 MPa

Comprobación

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

σx′ = −26,96 MPa, σx′ + σy′ = 60 = σx + σy

Respuesta

σy′ = 86,96 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 122,9 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 = −65 MPa, R = 60,21 MPa
σ1 = −4,792 MPa, σ2 = −125,2 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √((−4,792)² − (−4,792)·(−125,2) + (−125,2)²) = 122,9 MPa

Respuesta

σvM = 122,9 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 8276 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 65·1000/78,54 = 827,6 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 827,6/100000 = 0,008276 = 8276 µε

Respuesta

ε = 8276 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 63,66 MPa

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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 20,79 MPa
σ2 = 63,66 MPa

Tensión máxima

El tramo más delgado tiene menos área, así que soporta la tensión mayor.

σmax = 63,66 MPa

Respuesta

σmax = 63,66 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 47,74 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·426667/4200² = 47744 N = 47,74 kN

Respuesta

Pcr = 47,74 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 77,11 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/6,25 = 160

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/160² = 77,11 MPa

Respuesta

σcr = 77,11 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04007

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(40/14,6) = 0,252

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,252/√(39,48 + 0,06349) = 0,04007

Respuesta

ζ = 0,04007
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 22,51 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 60 + 40 = 100 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(100000/5) = 141,4 rad/s
fn = 141,4/(2π) = 22,51 Hz

Respuesta

fn = 22,51 Hz

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