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, 2900 rpm

Un tornillo sinfín de 4 entrada(s) gira a 2900 rpm y acciona una rueda helicoidal de 30 dientes. Halla la velocidad nw de la rueda.

z = 4Nw = 30n = 2900 rpm
nw = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 30B = 50C = 40D = 60

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (30 dientes), en el eje de entrada que gira a 3000 rpm, acciona el engranaje B (50 dientes). El engranaje C (40 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (60 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 3000 rpmA = 30B = 50C = 40D = 60
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 2000 N·mL = 1,5 m

Un eje macizo de latón de 1,5 m de longitud transmite un par de 2000 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 3°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 2000 N·mL = 1,5 mG = 39 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?30 kW, 1500 rpm

Un eje macizo de acero transmite 30 kW a 1500 rpm. La tensión cortante no debe superar 80 MPa y la torsión no debe superar 0,5° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 30 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 10σy​ = −70τxy​ = 30MPa

En un punto σₓ = 10 MPa, σᵧ = −70 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θs, entre −90° y 90°, desde el eje x hasta la normal del plano en el que la tensión cortante tiene su valor positivo máximo +R (cortante positivo en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = 10 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −20σy​ = 100τxy​ = 20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −20 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante τθ en un plano cuya normal está girada 30° en sentido horario respecto al eje x (positiva en el mismo sentido que τₓᵧ).

σx = −20 MPaσy = 100 MPaτxy = 20 MPaθ = -30°
τθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12600 mm200 mmØ40Ø50δ = 0,25 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 40 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de aluminio (diámetro 50 mm, longitud 200 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, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø50 mm, 200 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmAcero1 mØ 20 mmAcero0,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNtramo 1: Ø35 mm, 1 m, acero (E = 200 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 0,5 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 md = 20 mmsección

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

L = 2 mE = 200 GPa (acero)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 3 md = 40 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 = 3 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 100 kN/mζ = 0,5m = 40 kg

Una masa de 40 kg sobre un muelle con una rigidez de 100 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,5. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 40 kgk = 100 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 12m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 60 kN/m y el inferior k₂ = 12 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 60 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nw = 386,7 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 = 2900·4/30 = 386,7 rpm

Respuesta

nw = 386,7 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1200 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 = 3000·30/50 = 1800 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1800·40/60 = 1200 rpm

Respuesta

nout = 1200 rpm

relación total = 2,5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 62,2 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 = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 2 × 10⁶·1500/(39000·0,05236) = 1,469 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 62,2 mm

Respuesta

d = 62,2 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 40,86 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 30000/157,1 = 191 N·m

Diámetro por resistencia

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·80)) = 22,99 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·190986/(π·80000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 40,86 mm

Diámetro determinante

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

d = max(22,99, 40,86) = 40,86 mm

Respuesta

d = 40,86 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θs = −26,57 °

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​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr el punto más alto (+R) está a 90° del punto principal σ₁; en el elemento eso son 45°.

cos 2θs = 30/50 = 0,6, sin 2θs = −40/50 = −0,8
2θs = atan2(−40, 30) = −53,13°

Ángulo en el elemento

θs = −26,57°
comprobación: θs − θp = −26,57 − 18,43 = −45°

Respuesta

θs = −26,57°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τθ = −41,96 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 = −−60·−0,866 + 20·0,5 = −41,96 MPa

Respuesta

τθ = −41,96 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 65,06 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 = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2,387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(70000·1963) = 1,455 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/3,842 × 10⁻⁶ = 65063 N = 65,06 kN

Respuesta

P = 65,06 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,184 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 93,54 MPa
σ2 = 286,5 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 93,54·1000/200000 = 0,4677 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 286,5·500/200000 = 0,7162 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,184 mm

Respuesta

δ = 1,184 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 7,91 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/1400² = 7910 N = 7,91 kN

Respuesta

Pcr = 7,91 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/10 = 210

Tensión crítica

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

Respuesta

σcr = 44,76 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 6,892 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 = √(100000/40) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7,958 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7,958·√(1 − 0,5²) = 6,892 Hz

Respuesta

fd = 6,892 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 10 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/60 + 1/12 → keq = 60·12/(60 + 12) = 10 kN/m

Respuesta

keq = 10 kN/m

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