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​ = 60

Un motor de 11 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 60 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 12N2 = 60η = 95%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 24B = 50C = 40D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (24 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (50 dientes). El engranaje C (40 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 960 rpmA = 24B = 50C = 40D = 45
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 750 N·md = 50 mmL = 1 mφ = ?

Un eje macizo de latón 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 = 750 N·md = 50 mmL = 1 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 75 mm, di​ = 53 mm

Un eje hueco transmite 50 kW a 300 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 50 kWN = 300 rpmdo = 75 mmdi = 53 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −40σy​ = 20τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −40 MPa, σᵧ = 20 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = −40 MPaσy = 20 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −60σy​ = −60τxy​ = 50MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −60 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = 50 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 20° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = −60 MPaσy = −60 MPaτxy = 50 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12600 mm400 mmØ20Ø30δ = 0,25 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 aluminio (diámetro 30 mm, longitud 400 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, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø30 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmAluminio1,5 mØ 12 mmAcero0,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNtramo 1: Ø30 mm, 1,5 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 0,5 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 md = 40 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 105 kNL = 1,5 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Debe soportar 105 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 105 kNn = 3L = 1,5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx50 mm5 ciclos7,6 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 50 mm le sigue 5 ciclos después un pico de 7,6 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 50 mmx5 = 7,6 mmn = 5
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 12m = 20 kg

Una masa de 20 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 10 kN/m y k₂ = 12 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 109,4 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Respuesta

T1 = 109,4 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 409,6 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 = 960·24/50 = 460,8 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 460,8·40/45 = 409,6 rpm

Respuesta

nout = 409,6 rpm

relación total = 2,344 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,796 °

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) = 750·1000·1000/(39000·613592) = 0,03134 rad
φ = 0,03134·180/π = 1,796°

Respuesta

φ = 1,796°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 25,6 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Momento polar de inercia

J = π(75⁴ − 53⁴)/32 = 2,332 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 1,592 × 10⁶·37,5/2,332 × 10⁶ = 25,6 MPa

Respuesta

τmax = 25,6 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 63,43 °

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(2·40, −40 − 20) = 126,9°

Ángulo en el elemento

θp = 63,43°

Respuesta

θp = 63,43°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −27,86 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 = −60 + 0·0,766 + 50·0,6428 = −27,86 MPa

Respuesta

σθ = −27,86 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 14,18 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 = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·314,2) = 9,549 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·706,9) = 8,084 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/1,763 × 10⁻⁵ = 14178 N = 14,18 kN

Respuesta

P = 14,18 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 5,504 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 148,5 MPa
σ2 = 928,4 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 148,5·1500/70000 = 3,183 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 928,4·500/200000 = 2,321 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,504 mm

Respuesta

δ = 5,504 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 15,5 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·4000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/4000² = 15503 N = 15,5 kN

Respuesta

Pcr = 15,5 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 52,01 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 = 3·105000 = 315000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·315000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 52,01 mm

Respuesta

d = 52,01 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 115,4, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,05986

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 = (1/5)·ln(50/7,6) = 0,3768

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3768/√(39,48 + 0,142) = 0,05986

Respuesta

ζ = 0,05986
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 22 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 10 + 12 = 22 kN/m

Respuesta

keq = 22 kN/m

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