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​ = 24N2​ = 25

Un motor de 1,5 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 24 dientes, que engrana con una rueda de 25 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 1,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 25η = 97%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 720 rpm con una polea de 250 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmd2 = 250 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 1000 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
T = 100 N·md = 25 mmL = 1 mφ = ?

Un eje macizo de latón 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 = 100 N·md = 25 mmL = 1 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 5 kW a 1000 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 5 kWN = 1000 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −20σy​ = 70τxy​ = −20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −20 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = −20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = −20 MPaσy = 70 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −20σy​ = 70τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −20 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 25° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −20 MPaσy = 70 MPaτxy = 40 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmCobre1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 25 mmL = 1 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
80 kN12300 mm500 mmØ30Ø30σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 300 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 30 mm, longitud 500 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 80 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, 300 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø30 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1 md = 30 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 = 1 mE = 200 GPa (acero)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 3 md = 80 mmsección

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx20 mm3 ciclos3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 20 mm le sigue 3 ciclos después un pico de 3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 20 mmx3 = 3 mmn = 3
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 25m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 30 kN/m y el inferior k₂ = 25 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 4,991 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/303,7 = 4,939 N·m

Par de salida

T2 = 4,939·25/24·0,97 = 4,991 N·m

Respuesta

T2 = 4,991 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,399 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.

Ángulo de contacto

θ = 2,891 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e1,012 = 2,751, T₂ = 1000/2,751 = 363,6 N

Potencia

P = (1000 − 363,6)·3,77 = 2,399 kW

Respuesta

P = 2,399 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 3,831 °

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) = 100·1000·1000/(39000·38350) = 0,06686 rad
φ = 0,06686·180/π = 3,831°

Respuesta

φ = 3,831°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 15,94 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 = 5000/104,7 = 47,75 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·47746/(π·60)) = 15,94 mm

Respuesta

d = 15,94 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 49,24 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.

στxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((−20 − 70)/2)² + −20²) = 49,24 MPa

Respuesta

τmax = 49,24 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 26,72 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 = 25 + −45·0,6428 + 40·0,766 = 26,72 MPa

Respuesta

σθ = 26,72 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,306 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 = 75·1000/490,9 = 152,8 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 152,8/117000 = 0,001306 = 1306 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,001306·1000 mm = 1,306 mm

Respuesta

δ = 1,306 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 28,08 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 = 200000·706,9/300 = 471239 N/mm
k₂ = 110000·706,9/500 = 155509 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 80000·155509/626748 = 19850 N

Tensión

σ2 = 19850/706,9 = 28,08 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 28,08 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 160,2 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·1000 = 700 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/700² = 160173 N = 160,2 kN

Respuesta

Pcr = 160,2 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 30,71 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/20 = 150

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa

Respuesta

σcr = 30,71 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1001

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 = (1/3)·ln(20/3) = 0,6324

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6324/√(39,48 + 0,3999) = 0,1001

Respuesta

ζ = 0,1001
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,156 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 + 1/25 → keq = 30·25/(30 + 25) = 13,64 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(13636/20) = 26,11 rad/s
fn = 26,11/(2π) = 4,156 Hz

Respuesta

fn = 4,156 Hz

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