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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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​ = 20

Un motor de 5,5 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 20 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 5,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 20η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 50C = 25D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (12 dientes) del eje de entrada gira a 3000 rpm y acciona la rueda B (50 dientes). La rueda C (25 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 500 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 3000 rpmA = 12B = 50C = 25nout = 500 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
T = 1000 N·md = 40 mmL = 2,5 mφ = ?

Un eje macizo de aluminio 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 = 1000 N·md = 40 mmL = 2,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 20 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 80 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 20 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 10σy​ = 100τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 10 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 10 MPaσy = 100 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 110σy​ = 100τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 50° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 110 MPaσy = 100 MPaτxy = 30 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 10 mmLatón1,5 mP = 85 kN

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

P = 85 kNd = 10 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
40 kN12400 mm400 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 20 mm, longitud 400 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 60 mm, longitud 400 mm, E = 70 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 40 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø60 mm, 400 mm, E = 70 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 m25 × 50 mmsección

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 120 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Debe soportar 120 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 120 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mζ = 0,45m = 15 kg

Una masa de 15 kg sobre un muelle con una rigidez de 12 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,45. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 20k3​ = 12m = 100 kg

Una masa de 100 kg cuelga del muelle k₃ = 12 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 30 kN/m y k₂ = 20 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 = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 58,36 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 = 5500/157,1 = 35,01 N·m

Par de salida

T2 = 35,01·20/12·1 = 58,36 N·m

Respuesta

T2 = 58,36 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 36

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidad del eje intermedio

nB = nC = 3000·12/50 = 720 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 25·720/500 = 36

Respuesta

ND = 36
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 21,92 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·2500/(26000·251327) = 0,3826 rad
φ = 0,3826·180/π = 21,92°

Respuesta

φ = 21,92°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 20,09 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 20000/157,1 = 127,3 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·80)) = 20,09 mm

Respuesta

d = 20,09 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 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.

στxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((10 − 100)/2)² + 30²) = 54,08 MPa

Respuesta

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

Respuesta: σθ = 133,7 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.

Ecuación de transformación

σθ = 105 + 5·−0,1736 + 30·0,9848 = 133,7 MPa

Respuesta

σθ = 133,7 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 10823 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 85·1000/78,54 = 1082 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 1082/100000 = 0,01082 = 10823 µε

Respuesta

ε = 10823 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 10,74 MPa

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.

Rigideces

k₁ = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 70000·2827/400 = 494801 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 40000·494801/651880 = 30361 N

Tensión

σ2 = 30361/2827 = 10,74 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 10,74 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 19,99 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/1500² = 19991 N = 19,99 kN

Respuesta

Pcr = 19,99 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 68,71 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 = 2·120000 = 240000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·240000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 68,71 mm

Respuesta

d = 68,71 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 174,6, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 4,02 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 = √(12000/15) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,45²) = 4,02 Hz

Respuesta

fd = 4,02 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 1,566 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 = 30 + 20 = 50 kN/m
keq = 50·12/(50 + 12) = 9,677 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(9677/100) = 9,837 rad/s
fn = 9,837/(2π) = 1,566 Hz

Respuesta

fn = 1,566 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design