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​ = 32N2​ = 48

Un motor de 15 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 32 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 15 kWn1 = 960 rpmN1 = 32N2 = 48η = 97%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm2880 rpmC = 600 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 2880 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,25 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1500 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmd2 = 500 mmC = 600 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 750 N·mL = 2 m

Un eje macizo de aluminio de 2 m de longitud transmite un par de 750 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 0,5°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 750 N·mL = 2 mG = 26 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 75 mm, di​ = 56 mm

Un eje hueco transmite 50 kW a 1800 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 50 kWN = 1800 rpmdo = 75 mmdi = 56 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 110σy​ = 10τxy​ = 30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 110 MPa, σᵧ = 10 MPa y τₓᵧ = 30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 110 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie superior del eje

Un eje macizo de 30 mm de diámetro soporta un momento flector de 750 N·m junto con un par de 100 N·m. En la superficie superior, donde la tensión de flexión es de tracción y máxima, halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

d = 30 mmM = 750 N·mT = 100 N·m
τmax = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
300 kNØ4070 GPaØ80/50800 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de aluminio (diámetro exterior 80 mm, diámetro interior 50 mm, E = 70 GPa). Ambos miden 800 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 300 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 300 kNbarra: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmCobre1 mØ 12 mmAluminio2 mP = 75 kN

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

P = 75 kNtramo 1: Ø30 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 2 m, aluminio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 m30 × 40 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 = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1 md = 50 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 1 mE = 200 GPa (acero)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx12 mm4 ciclos1 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 12 mm le sigue 4 ciclos después un pico de 1 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 12 mmx4 = 1 mmn = 4
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 30m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 100 kN/m y k₂ = 30 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Desprecia el amortiguamiento y las masas de los muelles. Halla la frecuencia natural fn de vibración vertical en Hz.

m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 217,1 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 = 15000/100,5 = 149,2 N·m

Par de salida

T2 = 149,2·48/32·0,97 = 217,1 N·m

Respuesta

T2 = 217,1 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 17,14 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 = 2,567 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,6418 = 1,9, T₂ = 1500/1,9 = 789,5 N

Potencia

P = (1500 − 789,5)·24,13 = 17,14 kW

Respuesta

P = 17,14 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 90,59 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 = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 2 m = 2000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·2000/(26000·0,008727) = 6,611 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 90,59 mm

Respuesta

d = 90,59 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 4,646 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 50000/188,5 = 265,3 N·m

Momento polar de inercia

J = π(75⁴ − 56⁴)/32 = 2,141 × 10⁶ mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 265258·37,5/2,141 × 10⁶ = 4,646 MPa

Respuesta

τmax = 4,646 MPa
5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 15,48 °

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(2·30, 110 − 10) = 30,96°

Ángulo en el elemento

θp = 15,48°

Respuesta

θp = 15,48°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 142,7 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.

Tensiones en la superficie

σ = 32M/(πd³) = 32·750000/(π·30³) = 282,9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·100000/(π·30³) = 18,86 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 141,5 MPa
R = √(141,5² + 18,86²) = 142,7 MPa

Respuesta

τmax = 142,7 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,5153 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·3063 = 4,657 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 300000·800/4,657 × 10⁸ = 0,5153 mm

Respuesta

δ = 0,5153 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 19,85 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 = 106,1 MPa
σ2 = 663,1 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 106,1·1000/117000 = 0,9069 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 663,1·2000/70000 = 18,95 mm
δ = δ1 + δ2 = 19,85 mm

Respuesta

δ = 19,85 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 56,4 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·90000/1050² = 56398 N = 56,4 kN

Respuesta

Pcr = 56,4 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 77,11 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/12,5 = 160

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/160² = 77,11 MPa

Respuesta

σcr = 77,11 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,09839

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(12/1) = 0,6212

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6212/√(39,48 + 0,3859) = 0,09839

Respuesta

ζ = 0,09839
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 25,66 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 uno al lado del otro comparten la deformación y suman sus fuerzas, así que sus rigideces simplemente se suman: k = k1 + k2.

keq = 100 + 30 = 130 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(130000/5) = 161,2 rad/s
fn = 161,2/(2π) = 25,66 Hz

Respuesta

fn = 25,66 Hz

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