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​ = 12N2​ = 25

Un motor de 3 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 25 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 12N2 = 25η = 96%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm1440 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 125 mm y una polea de 400 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 125 mmd2 = 400 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 750 N·mL = 0,8 m

Un eje macizo de acero de 0,8 m de longitud transmite un par de 750 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 0,5°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 750 N·mL = 0,8 mG = 80 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?75 kW, 1450 rpm

Un eje macizo de latón transmite 75 kW a 1450 rpm. La tensión cortante no debe superar 60 MPa y la torsión no debe superar 0,5° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 75 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,5°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 160σy​ = 40τxy​ = 30MPa

En un punto σₓ = 160 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θs, entre −90° y 90°, desde el eje x hasta la normal del plano en el que la tensión cortante tiene su valor positivo máximo +R (cortante positivo en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = 160 MPaσy = 40 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 150σy​ = −80τxy​ = −20MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 150 MPa, σᵧ = −80 MPa y τₓᵧ = −20 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 460 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de von Mises (energía de distorsión).

σx = 150 MPaσy = −80 MPaτxy = −20 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmAcero1,5 mP = 115 kN

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

P = 115 kNd = 25 mmL = 1,5 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø40100 GPaØ100/70800 mm

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 150 MPa) está dentro de un tubo de latón (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 100 GPa, tensión admisible 80 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 m25 × 100 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 30 kNL = 5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Debe soportar 30 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 30 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx30 mm2 ciclos16 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 30 mm le sigue 2 ciclos después un pico de 16 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 30 mmx2 = 16 mmn = 2
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 25m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 20 kN/m y k₂ = 25 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 = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 19,76 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151,8 = 19,76 N·m

Respuesta

T1 = 19,76 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 148,1 °

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(0,275) = 15,96°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·15,96 = 148,1°

Respuesta

θ = 148,1°
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 54,39 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·800/(80000·0,008727) = 859437 mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 54,39 mm

Respuesta

d = 54,39 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 62,01 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Diámetro por resistencia

T = 493,9 N·m = 493929 N·mm
dτ = ∛(16·493929/(π·60)) = 34,74 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·493929/(π·39000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 62,01 mm

Diámetro determinante

Ambos límites deben cumplirse, así que manda el diámetro mayor.

d = max(34,74, 62,01) = 62,01 mm

Respuesta

d = 62,01 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = −31,72 °

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​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr el punto más alto (+R) está a 90° del punto principal σ₁; en el elemento eso son 45°.

cos 2θs = 30/67,08 = 0,4472, sin 2θs = −60/67,08 = −0,8944
2θs = atan2(−60, 30) = −63,43°

Ángulo en el elemento

θs = −31,72°
comprobación: θs − θp = −31,72 − 13,28 = −45°

Respuesta

θs = −31,72°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 2,242

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 = 35 MPa, R = 116,7 MPa
σ1 = 151,7 MPa, σ2 = −81,73 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(151,7² − 151,7·(−81,73) + (−81,73)²) = 205,2 MPa
n = 460/205,2 = 2,242

Respuesta

n = 2,242

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

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 1171 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 115·1000/490,9 = 234,3 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 234,3/200000 = 0,001171 = 1171 µε

Respuesta

ε = 1171 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 488,9 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 + 100·10³·4006 = 6,519 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,00075, 0,0008) = 0,00075 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,00075·6,519 × 10⁸ = 488910 N = 488,9 kN

Respuesta

Pmax = 488,9 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 64,26 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2000² = 64255 N = 64,26 kN

Respuesta

Pcr = 64,26 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 69,42 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 = 3·30000 = 90000 N
KL = 1·5000 = 5000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·5000²/(π³·200000))^(1/4) = 69,42 mm

Respuesta

d = 69,42 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 288,1, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,04996

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(30/16) = 0,3143

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3143/√(39,48 + 0,09879) = 0,04996

Respuesta

ζ = 0,04996
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 7,549 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 = 20 + 25 = 45 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(45000/20) = 47,43 rad/s
fn = 47,43/(2π) = 7,549 Hz

Respuesta

fn = 7,549 Hz

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