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​ = 24N2​ = 80

Un motor de 7,5 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 24 dientes, que engrana con una rueda de 80 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 24N2 = 80η = 97%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 18C = 24D = 32

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (18 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (32 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 18C = 24D = 32
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 100 N·md = 30 mmL = 2 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 = 100 N·md = 30 mmL = 2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = 60 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 100 N·mABC1 m1,5 m

Un eje macizo de latón de 60 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 1 m de A, actúa un par de 750 N·m, y en el extremo libre C, 1,5 m más allá, actúa un par de 100 N·m en el mismo sentido. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

d = 60 mmTB = 750 N·mTC = 100 N·mAB = 1 mBC = 1,5 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 160σy​ = −40τxy​ = −20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 160 MPa, σᵧ = −40 MPa y τₓᵧ = −20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

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

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −80 MPa, σᵧ = 80 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 45° en sentido horario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −80 MPaσy = 80 MPaτxy = 30 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmAluminio3 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 16 mmL = 3 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø30120 GPaØ80/50800 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 200 MPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 120 GPa, tensión admisible 70 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 m50 × 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)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 50 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 90 N·s/mm = 8 kg

Una masa de 8 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 90 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 8 kgk = 12 kN/mc = 90 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 80k3​ = 20m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga del muelle k₃ = 20 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 = 80 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 = 5 kgk1 = 30 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 49,39 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 = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Respuesta

T1 = 49,39 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 750 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 = 1500·12/18 = 1000 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1000·24/32 = 750 rpm

Respuesta

nout = 750 rpm

relación total = 2 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 5,542 °

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) = 100·1000·2000/(26000·79522) = 0,09673 rad
φ = 0,09673·180/π = 5,542°

Respuesta

φ = 5,542°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 20,04 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.

Pares internos

Se toma positivo el sentido de TC.

TBC = TC = 100 N·m
TAB = TC + TB = 100 + 750 = 850 N·m

Tensión cortante máxima

El tramo con el mayor par interno tiene la mayor tensión (mismo diámetro).

|T|max = 850 N·m
τmax = 16·850000/(π·60³) = 20,04 MPa

Respuesta

τmax = 20,04 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 102 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 = √(((160 − −40)/2)² + −20²) = 102 MPa

Respuesta

τmax = 102 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = −80 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

τθ = −−80·−1 + 30·0 = −80 MPa

Respuesta

τθ = −80 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 3553 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 50·1000/201,1 = 248,7 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for aluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 248,7/70000 = 0,003553 = 3553 µε

Respuesta

ε = 3553 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 296,9 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·3063 = 5,089 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,001, 0,0005833) = 0,0005833 (cobre)

Mayor carga

Pmax = 0,0005833·5,089 × 10⁸ = 296881 N = 296,9 kN

Respuesta

Pmax = 296,9 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 92,12 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/2500² = 92116 N = 92,12 kN

Respuesta

Pcr = 92,12 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 137,1 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·1500 = 1500 mm
KL/r = 1500/12,5 = 120

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/120² = 137,1 MPa

Respuesta

σcr = 137,1 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1452

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.

Amortiguamiento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(12000·8) = 619,7 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 90/619,7 = 0,1452

Respuesta

ζ = 0,1452

ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 9,259 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 + 80 = 110 kN/m
keq = 110·20/(110 + 20) = 16,92 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(16923/5) = 58,18 rad/s
fn = 58,18/(2π) = 9,259 Hz

Respuesta

fn = 9,259 Hz

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