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
Nw​ = 30z = 4, 1450 rpm

Un tornillo sinfín de 4 entrada(s) gira a 1450 rpm y acciona una rueda helicoidal de 30 dientes. Halla la velocidad nw de la rueda.

z = 4Nw = 30n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 25B = 32C = 24D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (25 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (32 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 2900 rpmA = 25B = 32C = 24D = 45
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 500 N·md = 25 mmL = 1,5 mφ = ?

Un eje macizo de acero 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 = 500 N·md = 25 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 80 mm, di​ = 64 mm

Un eje hueco transmite 30 kW a 500 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 30 kWN = 500 rpmdo = 80 mmdi = 64 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −30σy​ = 20τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −30 MPa, σᵧ = 20 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 = −30 MPaσy = 20 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 20σy​ = −30τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 20 MPa, σᵧ = −30 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido horario respecto al eje x.

σx = 20 MPaσy = −30 MPaτxy = −30 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 10 mmAcero0,5 mP = 50 kN

Halla el alargamiento δ de la barra de acero bajo la carga axial.

P = 50 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 40 mmLatón2 mØ 20 mmAluminio2 mP = 95 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla el alargamiento total δ.

P = 95 kNtramo 1: Ø40 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 md = 30 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 = 2 mE = 200 GPa (acero)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1 md = 25 mmsección

Un pilar de longitud L de acero 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 = 200 GPa (acero)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 10 kN/mζ = 0,7m = 2 kg

Una masa de 2 kg sobre un muelle con una rigidez de 10 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 = 2 kgk = 10 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 12k3​ = 60m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga del muelle k₃ = 60 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 100 kN/m y k₂ = 12 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nw = 193,3 rpm

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 de la rueda

nw = n·z/Nw = 1450·4/30 = 193,3 rpm

Respuesta

nw = 193,3 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1208 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 = 2900·25/32 = 2266 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 2266·24/45 = 1208 rpm

Respuesta

nout = 1208 rpm

relación total = 2,4 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 14,01 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1500/(80000·38350) = 0,2445 rad
φ = 0,2445·180/π = 14,01°

Respuesta

φ = 14,01°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 9,653 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.

Par

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 30000/52,36 = 573 N·m

Momento polar de inercia

J = π(80⁴ − 64⁴)/32 = 2,374 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 572958·40/2,374 × 10⁶ = 9,653 MPa

Respuesta

τmax = 9,653 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 56,31 °

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, −30 − 20) = 112,6°

Ángulo en el elemento

θp = 56,31°

Respuesta

θp = 56,31°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 33,43 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 = −5 + 25·0,766 + −30·−0,6428 = 33,43 MPa

Respuesta

σθ = 33,43 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,592 mm

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 = 50·1000/78,54 = 636,6 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 636,6/200000 = 0,003183 = 3183 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,003183·500 mm = 1,592 mm

Respuesta

δ = 1,592 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 10,15 mm

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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 75,6 MPa
σ2 = 302,4 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 75,6·2000/100000 = 1,512 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 302,4·2000/70000 = 8,64 mm
δ = δ1 + δ2 = 10,15 mm

Respuesta

δ = 10,15 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 78,48 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

Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/1000² = 78485 N = 78,48 kN

Respuesta

Pcr = 78,48 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 157,4 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·1000 = 700 mm
KL/r = 700/6,25 = 112

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/112² = 157,4 MPa

Respuesta

σcr = 157,4 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 8,037 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 = √(10000/2) = 70,71 rad/s
fn = 70,71/(2π) = 11,25 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11,25·√(1 − 0,7²) = 8,037 Hz

Respuesta

fd = 8,037 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 7,034 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 = 100 + 12 = 112 kN/m
keq = 112·60/(112 + 60) = 39,07 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(39070/20) = 44,2 rad/s
fn = 44,2/(2π) = 7,034 Hz

Respuesta

fn = 7,034 Hz

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