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​ = 200 mmd2​ = 400 mm1440 rpmn2​ = ?

Una polea de 200 mm a 1440 rpm acciona una polea de 400 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1440 rpmd1 = 200 mmd2 = 400 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 150 mm y una polea de 300 mm cuyos centros están separados 1000 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 150 mmd2 = 300 mmC = 1000 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 2000 N·mL = 1 m

Un eje macizo de aluminio de 1 m de longitud transmite un par de 2000 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 1°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 2000 N·mL = 1 mG = 26 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 75 kW a 750 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 75 kWN = 750 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 90σy​ = −50τxy​ = −60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 90 MPa, σᵧ = −50 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 90 MPaσy = −50 MPaτxy = −60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −50τxy​ = −10MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = −50 MPa, σᵧ = 0 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = −50 MPaσy = 0 MPaτxy = −10 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
250 kNØ20120 GPaØ100/60800 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 120 GPa). Ambos miden 800 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 250 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 250 kNbarra: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 120 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmAluminio0,5 mØ 12 mmLatón2 mP = 45 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 = 45 kNtramo 1: Ø30 mm, 0,5 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 m40 × 100 mmsección

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

L = 6 mE = 200 GPa (acero)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1 md = 20 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en la base y articulado arriba. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 1 mE = 70 GPa (aluminio)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 25 kN/mζ = 0,7m = 100 kg

Una masa de 100 kg sobre un muelle con una rigidez de 25 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,7. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 100 kgk = 25 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 100m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 40 kN/m y el inferior k₂ = 100 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 705,6 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

1440·200/400 = 720 rpm

Con deslizamiento

n2 = 720·0,98 = 705,6 rpm

Respuesta

n2 = 705,6 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 171,4 °

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 la correa

asin(0,075) = 4,301°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·4,301 = 171,4°

Respuesta

θ = 171,4°
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 81,85 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 = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 2 × 10⁶·1000/(26000·0,01745) = 4,407 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 81,85 mm

Respuesta

d = 81,85 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 43,28 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.

Par

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 75000/78,54 = 954,9 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·60)) = 43,28 mm

Respuesta

d = 43,28 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −20,3 °

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·−60, 90 − −50) = −40,6°

Ángulo en el elemento

θp = −20,3°

Respuesta

θp = −20,3°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 52,92 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 = −25 MPa, R = 26,93 MPa
σ1 = 1,926 MPa, σ2 = −51,93 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(1,926² − 1,926·(−51,93) + (−51,93)²) = 52,92 MPa

Respuesta

σvM = 52,92 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,3003 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 120·10³·5027 = 6,66 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 250000·800/6,66 × 10⁸ = 0,3003 mm

Respuesta

δ = 0,3003 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 397,9 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 397,9 MPa

Respuesta

σmax = 397,9 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 7,311 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·6000 = 12000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/12000² = 7311 N = 7,311 kN

Respuesta

Pcr = 7,311 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 35,25 MPa

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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·1000 = 700 mm
KL/r = 700/5 = 140

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Respuesta

σcr = 35,25 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,797 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 = √(25000/100) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,7²) = 1,797 Hz

Respuesta

fd = 1,797 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,69 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 = 1/40 + 1/100 → keq = 40·100/(40 + 100) = 28,57 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(28571/100) = 16,9 rad/s
fn = 16,9/(2π) = 2,69 Hz

Respuesta

fn = 2,69 Hz

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