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
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm1500 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 500 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 200 mm a 1500 rpm. La tensión es de 1000 N en el ramal tenso y de 500 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 200 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1000 NT2 = 500 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 36C = 36D = 60

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (16 dientes), en el eje de entrada que gira a 960 rpm, acciona el engranaje B (36 dientes). El engranaje C (36 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 = 960 rpmA = 16B = 36C = 36D = 60
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
do​ = ?T = 100 N·m

Un eje hueco debe transmitir un par de 100 N·m. Su diámetro interior debe ser 0,6 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 80 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

T = 100 N·mdi/do = 0,6τallow = 80 MPa
do = mm
4.Torsión de ejesDifícil
d = 40 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 500 N·mABC1,2 m1,5 m

Un eje macizo de aluminio de 40 mm de diámetro está empotrado en A. En B, a 1,2 m de A, actúa un par de 400 N·m, y en el extremo libre C, 1,5 m más allá, actúa un par de 500 N·m en sentido contrario. Halla el valor del ángulo de torsión φC del extremo C, en grados.

d = 40 mmTB = 400 N·mTC = 500 N·mAB = 1,2 mBC = 1,5 mG = 26 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −50σy​ = 40τxy​ = 10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −50 MPa, σᵧ = 40 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 = −50 MPaσy = 40 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = −10σy​ = −80τxy​ = 30MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = −10 MPa, σᵧ = −80 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = −10 MPaσy = −80 MPaτxy = 30 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12300 mm200 mmØ30Ø50δ = 0,25 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 300 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de latón (diámetro 50 mm, longitud 200 mm, E = 100 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, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPatramo 2: latón, Ø50 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø3070 GPaØ120/60500 mm

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

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 70 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2 m20 × 80 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 = 2 mE = 200 GPa (acero)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 30 kNL = 2 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 30 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 30 kNn = 3L = 2 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx25 mm4 ciclos11,8 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 25 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 11,8 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 25 mmx4 = 11,8 mmn = 4
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 60k3​ = 12m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga del muelle k₃ = 12 kN/m. El extremo superior de k₃ está unido a una barra rígida que cuelga de dos muelles uno al lado del otro, k₁ = 60 kN/m y k₂ = 60 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 = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 7,854 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.

Velocidad de la correa

v = 15,71 m/s

Potencia

P = (1000 − 500)·15,71 = 7854 W = 7,854 kW

Respuesta

P = 7,854 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 256 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 = 960·16/36 = 426,7 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 426,7·36/60 = 256 rpm

Respuesta

nout = 256 rpm

relación total = 3,75 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: do = 19,41 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.

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 100 N·m = 100000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·100000/(π·80·0,8704)) = 19,41 mm
di = 0,6·19,41 = 11,65 mm

Respuesta

do = 19,41 mm

Un eje macizo necesitaría d = 18,53 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

4.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 7,628 °

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.

Pares internos

Se toma positivo el sentido de TC.

TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC − TB = 500 − 400 = 100 N·m

Torsión de cada tramo

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 100000·1200/(26000·251327) = 0,01836 rad
φBC = 500000·1500/(26000·251327) = 0,1148 rad

Torsión del extremo C

φC = 0,01836 + 0,1148 = 0,1331 rad → |φC| = 7,628°

Respuesta

φC = 7,628°
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 83,74 °

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(2·10, −50 − 40) = 167,5°

Ángulo en el elemento

θp = 83,74°

Respuesta

θp = 83,74°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 91,65 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. Criterios de plastificación: von Mises predice la plastificación cuando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) alcanza σY; Tresca, cuando la tensión cortante máxima absoluta alcanza σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = −45 MPa, R = 46,1 MPa
σ1 = 1,098 MPa, σ2 = −91,1 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(1,098² − 1,098·(−91,1) + (−91,1)²) = 91,65 MPa

Respuesta

σvM = 91,65 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 79,6 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 = 706,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·706,9) = 2,122 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·1963) = 1,019 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/3,141 × 10⁻⁶ = 79601 N = 79,6 kN

Respuesta

P = 79,6 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 441,1 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(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·8482 = 7,351 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,0006, 0,001) = 0,0006 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·7,351 × 10⁸ = 441080 N = 441,1 kN

Respuesta

Pmax = 441,1 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 26,32 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·2000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/2000² = 26319 N = 26,32 kN

Respuesta

Pcr = 26,32 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 31,04 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 = 3·30000 = 90000 N
KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·1000²/(π³·200000))^(1/4) = 31,04 mm

Respuesta

d = 31,04 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 128,8, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,02986

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 = (1/4)·ln(25/11,8) = 0,1877

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1877/√(39,48 + 0,03523) = 0,02986

Respuesta

ζ = 0,02986
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 2,628 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 = 60 + 60 = 120 kN/m
keq = 120·12/(120 + 12) = 10,91 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(10909/40) = 16,51 rad/s
fn = 16,51/(2π) = 2,628 Hz

Respuesta

fn = 2,628 Hz

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