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
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm1500 rpmn2​ = ?

Una polea de 200 mm a 1500 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 4 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1500 rpmd1 = 200 mmd2 = 450 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 32B = 36C = 45D = 72

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (32 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (36 dientes). El engranaje C (45 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (72 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1450 rpmA = 32B = 36C = 45D = 72
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 500 N·mL = 1 m

Un eje macizo de acero de 1 m de longitud transmite un par de 500 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 3°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 500 N·mL = 1 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 60 mm, di​ = 42 mm

Un eje hueco transmite 100 kW a 1800 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 100 kWN = 1800 rpmdo = 60 mmdi = 42 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 110σy​ = −40τxy​ = −10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = −40 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 110 MPaσy = −40 MPaτxy = −10 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 160σy​ = −70τxy​ = 10MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 160 MPa, σᵧ = −70 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (σz = 0). El material tiene un límite elástico de 275 MPa. Halla el coeficiente de seguridad n frente a la plastificación según el criterio de von Mises (energía de distorsión).

σx = 160 MPaσy = −70 MPaτxy = 10 MPaσY = 275 MPa
n =
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12600 mm300 mmØ20Ø50δ = 0,4 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 20 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de bronce (diámetro 50 mm, longitud 300 mm, E = 110 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,4 mm en total.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
50 kN12400 mm300 mmØ40Ø40σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 400 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 40 mm, longitud 300 mm, E = 70 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 50 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø40 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1 m20 × 50 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en la base y articulado arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 1 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 20 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 = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx12 mm1 ciclo10,6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 12 mm le sigue un ciclo después un pico de 10,6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 12 mmx1 = 10,6 mmn = 1
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 100m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 30 kN/m y el inferior k₂ = 100 kN/m. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 640 rpm

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.

Velocidad sin deslizamiento

1500·200/450 = 666,7 rpm

Con deslizamiento

n2 = 666,7·0,96 = 640 rpm

Respuesta

n2 = 640 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 805,6 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 = 1450·32/36 = 1289 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1289·45/72 = 805,6 rpm

Respuesta

nout = 805,6 rpm

relación total = 1,8 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 33,21 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·1000/(80000·0,05236) = 119366 mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 33,21 mm

Respuesta

d = 33,21 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 16,46 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 100000/188,5 = 530,5 N·m

Momento polar de inercia

J = π(60⁴ − 42⁴)/32 = 966855 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 530516·30/966855 = 16,46 MPa

Respuesta

τmax = 16,46 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −3,797 °

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·−10, 110 − −40) = −7,595°

Ángulo en el elemento

θp = −3,797°

Respuesta

θp = −3,797°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: n = 1,342

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 = 115,4 MPa
σ1 = 160,4 MPa, σ2 = −70,43 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(160,4² − 160,4·(−70,43) + (−70,43)²) = 204,9 MPa
n = 275/204,9 = 1,342

Respuesta

n = 1,342

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

7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 36,57 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 = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·314,2) = 9,549 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1963) = 1,389 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,4/1,094 × 10⁻⁵ = 36569 N = 36,57 kN

Respuesta

P = 36,57 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 12,66 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 = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 70000·1257/300 = 293215 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 50000·293215/921534 = 15909 N

Tensión

σ2 = 15909/1257 = 12,66 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 12,66 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 47 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·1000 = 700 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/700² = 46998 N = 47 kN

Respuesta

Pcr = 47 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 44,76 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/5 = 210

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/210² = 44,76 MPa

Respuesta

σcr = 44,76 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,01974

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 = (1/1)·ln(12/10,6) = 0,1241

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1241/√(39,48 + 0,01539) = 0,01974

Respuesta

ζ = 0,01974
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,406 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/30 + 1/100 → keq = 30·100/(30 + 100) = 23,08 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(23077/20) = 33,97 rad/s
fn = 33,97/(2π) = 5,406 Hz

Respuesta

fn = 5,406 Hz

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