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​ = 80 mmd2​ = 400 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 80 mm a 720 rpm acciona una polea de 400 mm mediante una correa con un 1,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 80 mmd2 = 400 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 720 rpm con una polea de 300 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmd2 = 300 mmC = 600 mmμ = 0,3T1 = 500 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
T = 250 N·md = 50 mmL = 1,2 mφ = ?

Un eje macizo de acero 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 = 250 N·md = 50 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 5 kW a 3000 rpm sin que la tensión cortante supere 80 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 5 kWN = 3000 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 50σy​ = −50τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 50 MPa, σᵧ = −50 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 50 MPaσy = −50 MPaτxy = −30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 110σy​ = 70τxy​ = −40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = 70 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 45° en sentido horario respecto al eje x.

σx = 110 MPaσy = 70 MPaτxy = −40 MPaθ = -45°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 20 mmLatón1,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 20 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmAluminio1,5 mØ 20 mmCobre1 mP = 90 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 = 90 kNtramo 1: Ø35 mm, 1,5 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 md = 40 mmsección

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

L = 4 mE = 70 GPa (aluminio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 40 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 = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mζ = 0,7m = 10 kg

Una masa de 10 kg sobre un muelle con una rigidez de 12 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,7. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 10 kgk = 12 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 100m = 20 kg

Una masa de 20 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. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 20 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 141,8 rpm

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 sin deslizamiento

720·80/400 = 144 rpm

Con deslizamiento

n2 = 144·0,985 = 141,8 rpm

Respuesta

n2 = 141,8 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 1,755 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 = 2,908 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8723 = 2,392, T₂ = 500/2,392 = 209 N

Potencia

P = (500 − 209)·6,032 = 1,755 kW

Respuesta

P = 1,755 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 0,3502 °

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) = 250·1000·1200/(80000·613592) = 0,006112 rad
φ = 0,006112·180/π = 0,3502°

Respuesta

φ = 0,3502°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 10,04 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 5000/314,2 = 15,92 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·15915/(π·80)) = 10,04 mm

Respuesta

d = 10,04 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 58,31 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.

στxyCτmax​

Radio del círculo de Mohr

τmax = R = √(((50 − −50)/2)² + −30²) = 58,31 MPa

Respuesta

τmax = 58,31 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 130 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 = 90 + 20·0 + −40·−1 = 130 MPa

Respuesta

σθ = 130 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 3,342 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 70·1000/314,2 = 222,8 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 222,8/100000 = 0,002228 = 2228 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,002228·1500 mm = 3,342 mm

Respuesta

δ = 3,342 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σmax = 286,5 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 = 93,54 MPa
σ2 = 286,5 MPa

Tensión máxima

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

σmax = 286,5 MPa

Respuesta

σmax = 286,5 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 5,426 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 = π²·70000·125664/4000² = 5426 N = 5,426 kN

Respuesta

Pcr = 5,426 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 87,73 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 = 1·1500 = 1500 mm
KL/r = 1500/10 = 150

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/150² = 87,73 MPa

Respuesta

σcr = 87,73 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 3,937 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 = √(12000/10) = 34,64 rad/s
fn = 34,64/(2π) = 5,513 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,513·√(1 − 0,7²) = 3,937 Hz

Respuesta

fd = 3,937 Hz
12.Vibraciones mecánicas

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

Respuesta

keq = 10,71 kN/m

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