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​ = 20, m = 3 mm

Un motor de 1,1 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 20 dientes y módulo 3 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 1,1 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 500 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 720 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 500 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 720 rpmd2 = 315 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 1000 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 1000 N·mL = 1,2 m

Un eje macizo de acero de 1,2 m de longitud transmite un par de 1000 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 0,5°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 1000 N·mL = 1,2 mG = 80 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 100 kW a 1800 rpm sin que la tensión cortante supere 80 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 100 kWN = 1800 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 90σy​ = 100τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 90 MPa, σᵧ = 100 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 = 90 MPaσy = 100 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
50°D = 500 mm, t = 6 mm, p = 0,5 MPap

Un depósito cilíndrico de pared delgada, con un diámetro interior de 500 mm y un espesor de pared de 6 mm, contiene gas a una presión manométrica de 0,5 MPa. Está fabricado con chapa soldada a lo largo de una costura helicoidal a 50° del eje del cilindro. Halla la tensión normal σn que actúa perpendicularmente a la costura de soldadura.

D = 500 mmt = 6 mmp = 0,5 MPaα = 50°
σn = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
250 kNØ20120 GPaØ100/50600 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 50 mm, E = 120 GPa). Ambos miden 600 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 250 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 250 kNbarra: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 120 GPaL = 600 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 25 mmLatón1 mØ 16 mmAluminio0,5 mP = 10 kN

La barra escalonada está empotrada en la pared y cargada en su extremo libre. Halla la tensión normal máxima σmax en la barra.

P = 10 kNtramo 1: Ø25 mm, 1 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 0,5 m, aluminio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m25 × 80 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 = 2 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 60 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 2,5 mE = 200 GPa (acero)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mc = 510 N·s/mm = 20 kg

Una masa de 20 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 80 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 510 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 20 kgk = 80 kN/mc = 510 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 10k3​ = 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 = 50 kN/m y k₂ = 10 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 = 50 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 243,2 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 1100/150,8 = 7,295 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 3·20 = 60 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·7,295/0,06 = 243,2 N

Respuesta

Ft = 243,2 N
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 1,83 kW

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.

Ángulo de contacto

θ = 2,667 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9335 = 2,543, T₂ = 1000/2,543 = 393,2 N

Potencia

P = (1000 − 393,2)·3,016 = 1,83 kW

Respuesta

P = 1,83 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 64,69 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 = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 1 × 10⁶·1200/(80000·0,008727) = 1,719 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 64,69 mm

Respuesta

d = 64,69 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 32,32 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 100000/188,5 = 530,5 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·530516/(π·80)) = 32,32 mm

Respuesta

d = 32,32 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 58,28 °

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.

σxyCσ1​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, 90 − 100) = 116,6°

Ángulo en el elemento

θp = 58,28°

Respuesta

θp = 58,28°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σn = 14,72 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. Cilindro de pared delgada: tensión circunferencial σh = pr/t y tensión axial σa = pr/(2t); son las tensiones principales en la pared.

Tensiones en la pared

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 0,5·250/6 = 20,83 MPa
σa = pr/(2t) = 10,42 MPa

Transforma a la costura

Toma x a lo largo del eje (σa) e y en dirección circunferencial (σh). La normal de la costura forma 90° − α con el eje.

σn = 10,42·sin²50° + 20,83·cos²50° = 14,72 MPa

Respuesta

σn = 14,72 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,1949 mm

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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 120·10³·5890 = 7,697 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 250000·600/7,697 × 10⁸ = 0,1949 mm

Respuesta

δ = 0,1949 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 49,74 MPa

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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 20,37 MPa
σ2 = 49,74 MPa

Tensión máxima

El tramo más delgado tiene menos área, así que soporta la tensión mayor.

σmax = 49,74 MPa

Respuesta

σmax = 49,74 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 36,72 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·104167/1400² = 36717 N = 36,72 kN

Respuesta

Pcr = 36,72 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 71,06 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/15 = 166,7

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/166,7² = 71,06 MPa

Respuesta

σcr = 71,06 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,2016

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·√(80000·20) = 2530 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 510/2530 = 0,2016

Respuesta

ζ = 0,2016

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 6,164 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 = 50 + 10 = 60 kN/m
keq = 60·60/(60 + 60) = 30 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(30000/20) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Respuesta

fn = 6,164 Hz

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