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​ = 15N2​ = 45

Un motor de 2,2 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 15 dientes, que engrana con una rueda de 45 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 2,2 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 45η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 36B = 48C = 18D = 24

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (36 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (24 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 36B = 48C = 18D = 24
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 100 N·md = 25 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 = 100 N·md = 25 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 30 mmT0​ = 250 N·mACBa = 3 mb = 1,5 m

Un eje macizo de acero de 30 mm de diámetro está empotrado en muros rígidos en sus dos extremos A y B. Se aplica un par de 250 N·m en C, a 3 m de A y a 1,5 m de B. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 30 mmT0 = 250 N·ma = 3 mb = 1,5 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 0σy​ = −60τxy​ = −50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 0 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = −50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 0 MPaσy = −60 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 40σy​ = 80τxy​ = −60MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 40 MPa, σᵧ = 80 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 275 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de Tresca (tensión cortante máxima).

σx = 40 MPaσy = 80 MPaτxy = −60 MPaσY = 275 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 30 mmCobre1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 30 mmL = 1 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmLatón2 mØ 20 mmAcero1,5 mP = 20 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla el alargamiento total δ.

P = 20 kNtramo 1: Ø35 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 1,5 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 m25 × 40 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en la base y articulado arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 55 kNL = 1 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 55 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 55 kNn = 2,5L = 1 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx40 mm2 ciclos18,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 40 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 18,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 40 mmx2 = 18,8 mmn = 2
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 25k3​ = 25m = 25 kg

Una masa de 25 kg cuelga del muelle k₃ = 25 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 20 kN/m y k₂ = 25 kN/m; la barra se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles y de la barra. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 25 kgk1 = 20 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 42,02 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/157,1 = 14,01 N·m

Par de salida

T2 = 14,01·45/15·1 = 42,02 N·m

Respuesta

T2 = 42,02 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1631 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 = 2900·36/48 = 2175 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 2175·18/24 = 1631 rpm

Respuesta

nout = 1631 rpm

relación total = 1,778 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 4,597 °

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) = 100·1000·1200/(39000·38350) = 0,08023 rad
φ = 0,08023·180/π = 4,597°

Respuesta

φ = 4,597°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 31,44 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. 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 = 250
TA·a = TB·b
TA = 250·1,5/4,5 = 83,33 N·m
TB = 250·3/4,5 = 166,7 N·m

Tensión cortante máxima

Manda el mayor de los dos pares (mismo diámetro).

τmax = 16·166667/(π·30³) = 31,44 MPa

Respuesta

τmax = 31,44 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 58,31 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 = √(((0 − −60)/2)² + −50²) = 58,31 MPa

Respuesta

τmax = 58,31 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 2,174

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 = 63,25 MPa
σ1 = 123,2 MPa, σ2 = −3,246 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 126,5 MPa
n = 275/126,5 = 2,174

Respuesta

n = 2,174

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

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,9069 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 75·1000/706,9 = 106,1 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 106,1/117000 = 0,0009069 = 906,9 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0009069·1000 mm = 0,9069 mm

Respuesta

δ = 0,9069 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,8932 mm

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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 20,79 MPa
σ2 = 63,66 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 20,79·2000/100000 = 0,4158 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 63,66·1500/200000 = 0,4775 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,8932 mm

Respuesta

δ = 0,8932 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 4,59 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 = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/2800² = 4590 N = 4,59 kN

Respuesta

Pcr = 4,59 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 63,46 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 = 2,5·55000 = 137500 N
KL = 2·1000 = 2000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·137500·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 63,46 mm

Respuesta

d = 63,46 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 126,1, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,05997

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(40/18,8) = 0,3775

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3775/√(39,48 + 0,1425) = 0,05997

Respuesta

ζ = 0,05997
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 4,035 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

Solo k1 y k2 están en paralelo. Ese par está en serie con k3, así que combínalos como inversos.

k12 = 20 + 25 = 45 kN/m
keq = 45·25/(45 + 25) = 16,07 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(16071/25) = 25,35 rad/s
fn = 25,35/(2π) = 4,035 Hz

Respuesta

fn = 4,035 Hz

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