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​ = 16, m = 2 mm

Un motor de 3 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 16 dientes y módulo 2 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 3 kWn = 960 rpmN1 = 16m = 2 mm
Ft = N
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 18C = 20D = 25

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (15 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (18 dientes). El engranaje C (20 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (25 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 960 rpmA = 15B = 18C = 20D = 25
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 250 N·md = 50 mmL = 1,5 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 = 250 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?20 kW, 1450 rpm

Un eje macizo de acero transmite 20 kW a 1450 rpm. La tensión cortante no debe superar 75 MPa y la torsión no debe superar 1° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 20 kWN = 1450 rpmτallow = 75 MPaθallow = 1°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 120σy​ = −50τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 120 MPa, σᵧ = −50 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 120 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 60σy​ = 30τxy​ = 20MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = 20 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12400 mm300 mmØ20Ø40δ = 0,25 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 20 mm, longitud 400 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de aluminio (diámetro 40 mm, longitud 300 mm, E = 70 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,25 mm en total.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø40 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
60 kN12600 mm400 mmØ25Ø50σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) y un tramo de bronce (diámetro 50 mm, longitud 400 mm, E = 110 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 60 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø50 mm, 400 mm, E = 110 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 m40 × 60 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 = 3 mE = 200 GPa (acero)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 50 kNL = 5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 50 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 50 kNn = 3L = 5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 330 N·s/mm = 100 kg

Una masa de 100 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 330 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 100 kgk = 12 kN/mc = 330 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 25m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 10 kN/m y k₂ = 25 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 1865 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Par en el piñón

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 3000/100,5 = 29,84 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 2·16 = 32 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·29,84/0,032 = 1865 N

Respuesta

Ft = 1865 N
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 640 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 = 960·15/18 = 800 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 800·20/25 = 640 rpm

Respuesta

nout = 640 rpm

relación total = 1,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,347 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(26000·613592) = 0,02351 rad
φ = 0,02351·180/π = 1,347°

Respuesta

φ = 1,347°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 31,31 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 = 20000/151,8 = 131,7 N·m

Diámetro por resistencia

T = 131,7 N·m = 131714 N·mm
dτ = ∛(16·131714/(π·75)) = 20,76 mm

Diámetro por rigidez

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·131714/(π·80000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 31,31 mm

Diámetro determinante

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

d = max(20,76, 31,31) = 31,31 mm

Respuesta

d = 31,31 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 9,72 °

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.

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(2·30, 120 − −50) = 19,44°

Ángulo en el elemento

θp = 9,72°

Respuesta

θp = 9,72°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 62,45 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 = 45 MPa, R = 25 MPa
σ1 = 70 MPa, σ2 = 20 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(70² − 70·20 + 20²) = 62,45 MPa

Respuesta

σvM = 62,45 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 25,57 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

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·1257) = 3,41 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/9,777 × 10⁻⁶ = 25571 N = 25,57 kN

Respuesta

P = 25,57 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 23,45 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 = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 110000·1963/400 = 539961 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 60000·539961/703586 = 46047 N

Tensión

σ2 = 46047/1963 = 23,45 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 23,45 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 17,55 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/6000² = 17546 N = 17,55 kN

Respuesta

Pcr = 17,55 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 145 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 = 3·50000 = 150000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 145 mm

Respuesta

d = 145 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 275,8, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1506

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·√(12000·100) = 2191 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 330/2191 = 0,1506

Respuesta

ζ = 0,1506

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 35 kN/m

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 = 10 + 25 = 35 kN/m

Respuesta

keq = 35 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design