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​ = 400 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 150 mm a 720 rpm acciona una polea de 400 mm mediante una correa con un 3 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 48C = 20D = 40

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (24 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (20 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (40 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 24B = 48C = 20D = 40
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 400 N·md = 30 mmL = 1,2 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 = 400 N·md = 30 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 60 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 500 N·mABC2,5 m1,5 m

Un eje macizo de latón de 60 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 2,5 m de A, actúa un par de 1500 N·m, y en el extremo libre C, 1,5 m más allá, actúa un par de 500 N·m en el mismo sentido. Halla el valor del ángulo de torsión φC del extremo C, en grados.

d = 60 mmTB = 1500 N·mTC = 500 N·mAB = 2,5 mBC = 1,5 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 30σy​ = 20τxy​ = −20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 30 MPa, σᵧ = 20 MPa y τₓᵧ = −20 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 30 MPaσy = 20 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 10σy​ = 110τxy​ = −40MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 10 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 10 MPaσy = 110 MPaτxy = −40 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
150 kNØ30110 GPaØ100/50500 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 50 mm, E = 110 GPa). Ambos miden 500 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 150 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 150 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø4070 GPaØ100/70600 mm

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 250 MPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 70 GPa, tensión admisible 100 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 md = 80 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 = 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 95 kNL = 2,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está articulado en ambos extremos. Debe soportar 95 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 95 kNn = 2L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 5 kN/mζ = 0,3m = 12 kg

Una masa de 12 kg sobre un muelle con una rigidez de 5 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,3. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 12 kgk = 5 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 60m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 60 kN/m y el inferior k₂ = 60 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 20 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 261,9 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

720·150/400 = 270 rpm

Con deslizamiento

n2 = 270·0,97 = 261,9 rpm

Respuesta

n2 = 261,9 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 725 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 = 2900·24/48 = 1450 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1450·20/40 = 725 rpm

Respuesta

nout = 725 rpm

relación total = 4 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 8,868 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1200/(39000·79522) = 0,1548 rad
φ = 0,1548·180/π = 8,868°

Respuesta

φ = 8,868°
4.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 6,639 °

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 = 500 N·m
TAB = TC + TB = 500 + 1500 = 2000 N·m

Torsión de cada tramo

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 2 × 10⁶·2500/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,1008 rad
φBC = 500000·1500/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,01511 rad

Torsión del extremo C

φC = 0,1008 + 0,01511 = 0,1159 rad → |φC| = 6,639°

Respuesta

φC = 6,639°
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −37,98 °

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·−20, 30 − 20) = −75,96°

Ángulo en el elemento

θp = −37,98°

Respuesta

θp = −37,98°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 126,1 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 = 60 MPa, R = 64,03 MPa
σ1 = 124 MPa, σ2 = −4,031 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(124² − 124·(−4,031) + (−4,031)²) = 126,1 MPa

Respuesta

σvM = 126,1 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,09502 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·5890 = 7,893 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 150000·500/7,893 × 10⁸ = 0,09502 mm

Respuesta

δ = 0,09502 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 664,6 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·4006 = 5,317 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00125, 0,001429) = 0,00125 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,00125·5,317 × 10⁸ = 664643 N = 664,6 kN

Respuesta

Pmax = 664,6 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 222,3 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/2500² = 222253 N = 222,3 kN

Respuesta

Pcr = 222,3 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 76,92 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 = 2·95000 = 190000 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·190000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 76,92 mm

Respuesta

d = 76,92 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 130, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 3,099 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.

Frecuencia natural sin amortiguamiento

ωn = √(5000/12) = 20,41 rad/s
fn = 20,41/(2π) = 3,249 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,249·√(1 − 0,3²) = 3,099 Hz

Respuesta

fd = 3,099 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,164 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 = 1/60 + 1/60 → keq = 60·60/(60 + 60) = 30 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(30000/20) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Respuesta

fn = 6,164 Hz

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