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​ = 12N2​ = 50

Un motor de 11 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 50 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 11 kWn1 = 1440 rpmN1 = 12N2 = 50η = 100%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 45C = 18D = 30

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (24 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (45 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (30 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 24B = 45C = 18D = 30
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
Tdo​ = 75 mm, di​ = 56 mm

Un eje hueco transmite 30 kW a 1000 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 30 kWN = 1000 rpmdo = 75 mmdi = 56 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 50σy​ = −50MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 50 MPa y σᵧ = −50 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 105 MPa?

σx = 50 MPaσy = −50 MPaσ1 = 105 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 25 mm de diámetro soporta una fuerza axial de tracción de 80 kN junto con un par de 750 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

d = 25 mmF = 80 kNT = 750 N·m
τmax = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmCobre2 mP = 40 kN

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

P = 40 kNd = 16 mmL = 2 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø3070 GPaØ80/50500 mm

Una varilla de acero (diámetro 30 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 120 MPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 70 GPa, tensión admisible 60 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2,5 m20 × 60 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 5 kNL = 1,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está articulado en ambos extremos. Debe soportar 5 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 5 kNn = 3L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 40 kN/mc = 230 N·s/mm = 15 kg

Una masa de 15 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 40 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 230 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 15 kgk = 40 kN/mc = 230 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 50k3​ = 50m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga del muelle k₃ = 50 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 = 50 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 = 30 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 303,9 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/150,8 = 72,95 N·m

Par de salida

T2 = 72,95·50/12·1 = 303,9 N·m

Respuesta

T2 = 303,9 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 460,8 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 = 1440·24/45 = 768 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 768·18/30 = 460,8 rpm

Respuesta

nout = 460,8 rpm

relación total = 3,125 : 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: τmax = 5,018 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 30000/104,7 = 286,5 N·m

Momento polar de inercia

J = π(75⁴ − 56⁴)/32 = 2,141 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 286479·37,5/2,141 × 10⁶ = 5,018 MPa

Respuesta

τmax = 5,018 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 92,33 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.

Radio necesario

C = (50 + (−50))/2 = 0 MPa
R = σ1 − C = 105 − 0 = 105 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(105² − 50²) = 92,33 MPa

Respuesta

τxy = 92,33 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 257,7 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.

Tensiones en la superficie

σ = F/A = 80000/(π·25²/4) = 80000/490,9 = 163 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·750000/(π·25³) = 244,5 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 81,49 MPa
R = √(81,49² + 244,5²) = 257,7 MPa

Respuesta

τmax = 257,7 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 3,401 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 40·1000/201,1 = 198,9 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 198,9/117000 = 0,0017 = 1700 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0017·2000 mm = 3,401 mm

Respuesta

δ = 3,401 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 213,5 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 + 70·10³·3063 = 3,558 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,0006, 0,0008571) = 0,0006 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·3,558 × 10⁸ = 213471 N = 213,5 kN

Respuesta

Pmax = 213,5 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 17,69 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/1250² = 17686 N = 17,69 kN

Respuesta

Pcr = 17,69 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 31,58 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 = 3·5000 = 15000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·15000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 31,58 mm

Respuesta

d = 31,58 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 190, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1485

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·√(40000·15) = 1549 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 230/1549 = 0,1485

Respuesta

ζ = 0,1485

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,243 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 + 50 = 80 kN/m
keq = 80·50/(80 + 50) = 30,77 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(30769/20) = 39,22 rad/s
fn = 39,22/(2π) = 6,243 Hz

Respuesta

fn = 6,243 Hz

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