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​ = 150 mmd2​ = 200 mm1500 rpmn2​ = ?

Una polea de 150 mm a 1500 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 1,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 150 mmd2 = 200 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 300 mm1440 rpmC = 500 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 1440 rpm con una polea de 300 mm; los centros están separados 500 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 800 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmd2 = 300 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 800 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 40, di​ = 28 mmT = 1000 N·mL = 0,5 m

Un eje hueco de latón (diámetro exterior 40 mm, diámetro interior 28 mm, longitud 0,5 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 1000 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 1000 N·mdo = 40 mmdi = 28 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 60 mmT0​ = 2000 N·mACBa = 3 mb = 0,5 m

Un eje macizo de acero de 60 mm de diámetro está empotrado en muros rígidos en sus dos extremos A y B. Se aplica un par de 2000 N·m en C, a 3 m de A y a 0,5 m de B. Halla el ángulo de giro φC de la sección C, en grados.

d = 60 mmT0 = 2000 N·ma = 3 mb = 0,5 mG = 80 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −70σy​ = 70τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −70 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = −70 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σy​ = 100τxy​ = 50MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 0 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = 50 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 0 MPaσy = 100 MPaτxy = 50 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
200 kNØ25120 GPaØ100/70600 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 120 GPa). Ambos miden 600 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 200 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 200 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 25 mmLatón1 mØ 12 mmLatón2 mP = 105 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 = 105 kNtramo 1: Ø25 mm, 1 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 40 kNL = 4 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 40 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 40 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx10 mm1 ciclo6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 10 mm le sigue un ciclo después un pico de 6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 10 mmx1 = 6 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 40m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 5 kN/m y el inferior k₂ = 40 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 1108 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

1500·150/200 = 1125 rpm

Con deslizamiento

n2 = 1125·0,985 = 1108 rpm

Respuesta

n2 = 1108 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,949 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 = 2,698 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9443 = 2,571, T₂ = 800/2,571 = 311,2 N

Potencia

P = (800 − 311,2)·6,032 = 2,949 kW

Respuesta

P = 2,949 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 3,846 °

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 − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Ángulo de torsión

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·500/(39000·190984) = 0,06713 rad
φ = 0,06713·180/π = 3,846°

Respuesta

φ = 3,846°
4.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 0,4825 °

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. Cuando ambos extremos están empotrados, la estática por sí sola solo da TA + TB = T₀; la segunda ecuación es la compatibilidad (igual torsión de ambas partes en la sección cargada).

Equilibrio y compatibilidad

TA + TB = 2000
TA·a = TB·b
TA = 2000·0,5/3,5 = 285,7 N·m
TB = 2000·3/3,5 = 1714 N·m

Giro de C

Usa el tramo AC: está empotrado en A y transmite TA.

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 80 GPa = 80000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 285714·3000/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,008421 rad = 0,4825°

Respuesta

φC = 0,4825°
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 78,4 °

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(2·30, −70 − 70) = 156,8°

Ángulo en el elemento

θp = 78,4°

Respuesta

θp = 78,4°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 132,3 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 = 70,71 MPa
σ1 = 120,7 MPa, σ2 = −20,71 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(120,7² − 120,7·(−20,71) + (−20,71)²) = 132,3 MPa

Respuesta

σvM = 132,3 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,2073 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·4006 = 5,788 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 200000·600/5,788 × 10⁸ = 0,2073 mm

Respuesta

δ = 0,2073 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 928,4 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 213,9 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 928,4 MPa

Respuesta

σmax = 928,4 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 13,25 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 = 2·2000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/4000² = 13247 N = 13,25 kN

Respuesta

Pcr = 13,25 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 90,15 mm

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.

Carga crítica necesaria

Pcr = n·P = 2,5·40000 = 100000 N
KL = 2·4000 = 8000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·100000·8000²/(π³·200000))^(1/4) = 90,15 mm

Respuesta

d = 90,15 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 355, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,08103

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 = (1/1)·ln(10/6) = 0,5108

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5108/√(39,48 + 0,2609) = 0,08103

Respuesta

ζ = 0,08103
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 4,444 kN/m

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 = 1/5 + 1/40 → keq = 5·40/(5 + 40) = 4,444 kN/m

Respuesta

keq = 4,444 kN/m

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