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
Tw​ = ?z = 1, 960 rpm

Un motor de 3 kW a 960 rpm acciona un tornillo sinfín de 1 entrada(s). La rueda tiene 48 dientes y la transmisión tiene un rendimiento del 55 %. Halla el par de salida Tw en el eje de la rueda.

z = 1Nw = 48n = 960 rpmP = 3 kWη = 55%
Tw = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 30B = 45C = 24D = 80

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 (45 dientes). El engranaje C (24 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (80 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 3000 rpmA = 30B = 45C = 24D = 80
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
do​ = 30, di​ = 21 mmT = 500 N·mL = 2 m

Un eje hueco de acero (diámetro exterior 30 mm, diámetro interior 21 mm, longitud 2 m) está empotrado en un extremo y se tuerce con un par de 500 N·m en el otro. Halla el ángulo de torsión φ en grados.

T = 500 N·mdo = 30 mmdi = 21 mmL = 2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 20 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 20 kWN = 1500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
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​ = 40σy​ = 100τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 40 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = 10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 30° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 40 MPaσy = 100 MPaτxy = 10 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 30 mmAcero2 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 30 mmL = 2 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmLatón2 mØ 20 mmCobre1 mP = 115 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 = 115 kNtramo 1: Ø35 mm, 2 m, latón (E = 100 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 m25 × 40 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 = 3 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 3 md = 60 mmsección

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 8 kN/mζ = 0,5m = 15 kg

Una masa de 15 kg sobre un muelle con una rigidez de 8 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 = 15 kgk = 8 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 100m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 12 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 = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tw = 787,8 N·m

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 = 960·1/48 = 20 rpm

Par de salida

ωw = 2π·20/60 = 2,094 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,55·3000/2,094 = 787,8 N·m

Respuesta

Tw = 787,8 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 600 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 = 3000·30/45 = 2000 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 2000·24/80 = 600 rpm

Respuesta

nout = 600 rpm

relación total = 5 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 11,85 °

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(30⁴ − 21⁴)/32 = 60428 mm⁴

Ángulo de torsión

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 500000·2000/(80000·60428) = 0,2069 rad
φ = 0,2069·180/π = 11,85°

Respuesta

φ = 11,85°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 22,11 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 = 20000/157,1 = 127,3 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·60)) = 22,11 mm

Respuesta

d = 22,11 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 33,69 °

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) = 67,38°

Ángulo en el elemento

θp = 33,69°

Respuesta

θp = 33,69°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 63,66 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 = 70 + −30·0,5 + 10·0,866 = 63,66 MPa

Respuesta

σθ = 63,66 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,4244 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 30·1000/706,9 = 42,44 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 42,44/200000 = 0,0002122 = 212,2 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,0002122·2000 mm = 0,4244 mm

Respuesta

δ = 0,4244 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 366,1 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 119,5 MPa
σ2 = 366,1 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 366,1 MPa

Respuesta

σmax = 366,1 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 45,69 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/1500² = 45693 N = 45,69 kN

Respuesta

Pcr = 45,69 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 17,27 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 = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Respuesta

σcr = 17,27 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 3,183 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 = √(8000/15) = 23,09 rad/s
fn = 23,09/(2π) = 3,676 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,676·√(1 − 0,5²) = 3,183 Hz

Respuesta

fd = 3,183 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,21 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 = 1/12 + 1/100 → keq = 12·100/(12 + 100) = 10,71 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10714/10) = 32,73 rad/s
fn = 32,73/(2π) = 5,21 Hz

Respuesta

fn = 5,21 Hz

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