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​ = 120 mmd2​ = 450 mm1440 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 1440 rpm acciona una polea de 450 mm mediante una correa con un 1,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1440 rpmd1 = 120 mmd2 = 450 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 18B = 40C = 16D = 50

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (18 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (40 dientes). El engranaje C (16 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (50 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 18B = 40C = 16D = 50
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d1​ = 60 mmd2​ = 30 mmT = 750 N·mABC1 m1 m

Un eje macizo escalonado de aluminio está empotrado en A. El tramo AB tiene un diámetro de 60 mm y una longitud de 1 m; el tramo BC tiene un diámetro de 30 mm y una longitud de 1 m. En el extremo libre C actúa un par de 750 N·m. Halla el ángulo de torsión φC del extremo C, en grados.

T = 750 N·md1 = 60 mm, L1 = 1 md2 = 30 mm, L2 = 1 mG = 26 GPa
φC = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 5 kW a 1450 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 5 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 20σy​ = 40MPaτxy​ = ?

En un punto σₓ = 20 MPa y σᵧ = 40 MPa. ¿Hasta qué valor τxy (en valor absoluto) puede llegar la tensión cortante antes de que la tensión principal mayor alcance 55 MPa?

σx = 20 MPaσy = 40 MPaσ1 = 55 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie del eje

Un eje macizo de 50 mm de diámetro soporta una fuerza axial de tracción de 160 kN junto con un par de 1500 N·m. En la superficie del eje, halla la tensión principal mayor σ1.

d = 50 mmF = 160 kNT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12400 mm200 mmØ20Ø50δ = 0,5 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 20 mm, longitud 400 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de bronce (diámetro 50 mm, longitud 200 mm, E = 110 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,5 mm en total.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø50 mm, 200 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmAcero1 mØ 20 mmCobre0,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtramo 1: Ø30 mm, 1 m, acero (E = 200 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 3 md = 30 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (acero)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 3 md = 50 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 = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 4 kN/mζ = 0,35m = 40 kg

Una masa de 40 kg sobre un muelle con una rigidez de 4 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,35. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 40 kgk = 4 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 100m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 80 kN/m y k₂ = 100 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 378,2 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

1440·120/450 = 384 rpm

Con deslizamiento

n2 = 384·0,985 = 378,2 rpm

Respuesta

n2 = 378,2 rpm
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 216 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 = 1500·18/40 = 675 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 675·16/50 = 216 rpm

Respuesta

nout = 216 rpm

relación total = 6,944 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φC = 22,08 °

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.

Momentos polares

J1 = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torsión de cada tramo

T = 750 N·m = 750000 N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 750000·1000/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,02267 rad
φBC = 750000·1000/(26000·79522) = 0,3627 rad

Torsión total

φC = 0,02267 + 0,3627 = 0,3854 rad = 22,08°

Respuesta

φC = 22,08°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 14,09 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 5000/151,8 = 32,93 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·32929/(π·60)) = 14,09 mm

Respuesta

d = 14,09 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τxy = 22,91 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.

Radio necesario

C = (20 + 40)/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 55 − 30 = 25 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensión cortante

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(25² − 10²) = 22,91 MPa

Respuesta

τxy = 22,91 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ1 = 114,2 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 = F/A = 160000/(π·50²/4) = 160000/1963 = 81,49 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 40,74 MPa
R = √(40,74² + 61,12²) = 73,45 MPa
σ1 = C + R = 114,2 MPa
σ2 = C − R = −32,71 MPa

Respuesta

σ1 = 114,2 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 68,57 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 = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(110000·1963) = 9,26 × 10⁻⁷ mm/N

Carga

P = 0,5/7,292 × 10⁻⁶ = 68567 N = 68,57 kN

Respuesta

P = 68,57 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,9304 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 143,2 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 63,66·1000/200000 = 0,3183 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 143,2·500/117000 = 0,6121 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,9304 mm

Respuesta

δ = 0,9304 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 2,18 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/6000² = 2180 N = 2,18 kN

Respuesta

Pcr = 2,18 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 11,99 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 = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/12,5 = 240

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/240² = 11,99 MPa

Respuesta

σcr = 11,99 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 1,491 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 = √(4000/40) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,35²) = 1,491 Hz

Respuesta

fd = 1,491 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 180 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 = 80 + 100 = 180 kN/m

Respuesta

keq = 180 kN/m

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