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​ = 45N2​ = 48

Un motor de 3 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 45 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 45N2 = 48η = 98%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 16C = 12D = 50

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (16 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 = 12B = 16C = 12D = 50
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 40, di​ = 20 mmT = 100 N·mL = 1,5 m

Un eje hueco de aluminio (diámetro exterior 40 mm, diámetro interior 20 mm, longitud 1,5 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 100 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 100 N·mdo = 40 mmdi = 20 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 25 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 200 N·mABC2,5 m3 m

Un eje macizo de acero de 25 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 2,5 m de A, actúa un par de 400 N·m, y en el extremo libre C, 3 m más allá, actúa un par de 200 N·m en el mismo sentido. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 25 mmTB = 400 N·mTC = 200 N·mAB = 2,5 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 80σy​ = 60MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 80 MPa y σᵧ = 60 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 125 MPa?

σx = 80 MPaσy = 60 MPaσ1 = 125 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −10σy​ = −80τxy​ = −30MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = −10 MPa, σᵧ = −80 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 300 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de Tresca (tensión cortante máxima).

σx = −10 MPaσy = −80 MPaτxy = −30 MPaσY = 300 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12500 mm300 mmØ30Ø30δ = 0,5 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de bronce (diámetro 30 mm, longitud 300 mm, E = 110 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,5 mm en total.

tramo 1: acero, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø30 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 25 mmLatón1 mØ 20 mmCobre1 mP = 90 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 = 90 kNtramo 1: Ø25 mm, 1 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 m25 × 40 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 = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 55 kNL = 4 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 55 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 55 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx20 mm2 ciclos3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 20 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 20 mmx2 = 3 mmn = 2
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 20m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 kN/m y el inferior k₂ = 20 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 10,33 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 = 3000/303,7 = 9,879 N·m

Par de salida

T2 = 9,879·48/45·0,98 = 10,33 N·m

Respuesta

T2 = 10,33 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 270 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 = 1500·12/16 = 1125 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1125·12/50 = 270 rpm

Respuesta

nout = 270 rpm

relación total = 5,556 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,403 °

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 − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Ángulo de torsión

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 100000·1500/(26000·235619) = 0,02449 rad
φ = 0,02449·180/π = 1,403°

Respuesta

φ = 1,403°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 195,6 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 = 200 N·m
TAB = TC + TB = 200 + 400 = 600 N·m

Tensión cortante máxima

El tramo con el mayor par interno tiene la mayor tensión (mismo diámetro).

|T|max = 600 N·m
τmax = 16·600000/(π·25³) = 195,6 MPa

Respuesta

τmax = 195,6 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 54,08 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.

Radio necesario

C = (80 + 60)/2 = 70 MPa
R = σ1 − C = 125 − 70 = 55 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(55² − 10²) = 54,08 MPa

Respuesta

τxy = 54,08 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 3,254

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 = −45 MPa, R = 46,1 MPa
σ1 = 1,098 MPa, σ2 = −91,1 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 92,2 MPa
n = 300/92,2 = 3,254

Respuesta

n = 3,254

n > 1 significa que el punto no plastifica; Tresca es algo más conservador que von Mises.

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 67,61 kN

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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·706,9) = 3,537 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·706,9) = 3,858 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,5/7,395 × 10⁻⁶ = 67613 N = 67,61 kN

Respuesta

P = 67,61 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 286,5 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 183,3 MPa
σ2 = 286,5 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 286,5 MPa

Respuesta

σmax = 286,5 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 5,828 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/4200² = 5828 N = 5,828 kN

Respuesta

Pcr = 5,828 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 46,16 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 = 2·55000 = 110000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·110000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 46,16 mm

Respuesta

d = 46,16 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 173,3, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1493

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 = (1/2)·ln(20/3) = 0,9486

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9486/√(39,48 + 0,8998) = 0,1493

Respuesta

ζ = 0,1493
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 6,667 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 = 1/10 + 1/20 → keq = 10·20/(10 + 20) = 6,667 kN/m

Respuesta

keq = 6,667 kN/m

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