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​ = 36N2​ = 72

Un motor de 4 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 72 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 36N2 = 72η = 96%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 200 mm a 720 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1200 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 200 mmn1 = 720 rpmd2 = 315 mmC = 600 mmμ = 0,25T1 = 1200 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 500 N·mL = 1,5 m

Un eje macizo de latón de 1,5 m de longitud transmite un par de 500 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 0,5°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 500 N·mL = 1,5 mG = 39 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Un eje hueco transmite 100 kW a 500 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 100 kWN = 500 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 140σy​ = 90τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 140 MPa, σᵧ = 90 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 140 MPaσy = 90 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −70σy​ = 120τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −70 MPa, σᵧ = 120 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido antihorario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = 120 MPaτxy = −30 MPaθ = 20°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmLatón1 mP = 20 kN

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

P = 20 kNd = 16 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
30 kN12600 mm400 mmØ25Ø60σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 60 mm, longitud 400 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 30 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø60 mm, 400 mm, E = 110 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 md = 60 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 = 5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 10 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 10 kNn = 2L = 5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm1 ciclo11 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue un ciclo después un pico de 11 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx1 = 11 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 50m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 100 kN/m y k₂ = 50 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 = 100 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 26,53 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150,8 = 26,53 N·m

Respuesta

T1 = 26,53 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,72 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 = 2,95 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,7374 = 2,091, T₂ = 1200/2,091 = 574 N

Potencia

P = (1200 − 574)·7,54 = 4,72 kW

Respuesta

P = 4,72 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 68,83 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.

Momento polar necesario

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·1500/(39000·0,008727) = 2,204 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 68,83 mm

Respuesta

d = 68,83 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 26,49 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 100000/52,36 = 1910 N·m

Momento polar de inercia

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 1,91 × 10⁶·37,5/2,704 × 10⁶ = 26,49 MPa

Respuesta

τmax = 26,49 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 26,93 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.

σxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((140 − 90)/2)² + 10²) = 26,93 MPa

Respuesta

τmax = 26,93 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = 38,08 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

τθ = −−95·0,6428 + −30·0,766 = 38,08 MPa

Respuesta

τθ = 38,08 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 994,7 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 20·1000/201,1 = 99,47 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 99,47/100000 = 0,0009947 = 994,7 µε

Respuesta

ε = 994,7 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 8,766 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 = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 110000·2827/400 = 777544 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 30000·777544/941169 = 24784 N

Tensión

σ2 = 24784/2827 = 8,766 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 8,766 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 70,32 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/2500² = 70322 N = 70,32 kN

Respuesta

Pcr = 70,32 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 87,63 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 = 2·10000 = 20000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·20000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 87,63 mm

Respuesta

d = 87,63 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 456,5, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,0493

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(15/11) = 0,3102

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3102/√(39,48 + 0,0962) = 0,0493

Respuesta

ζ = 0,0493
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 27,57 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 = 100 + 50 = 150 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(150000/5) = 173,2 rad/s
fn = 173,2/(2π) = 27,57 Hz

Respuesta

fn = 27,57 Hz

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