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​ = 60N2​ = 80

Un motor de 1,1 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 60 dientes, que engrana con una rueda de 80 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 1,1 kWn1 = 1450 rpmN1 = 60N2 = 80η = 98%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 30B = 40C = 15D = 80

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (30 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (40 dientes). El engranaje C (15 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (80 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1450 rpmA = 30B = 40C = 15D = 80
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
T = 500 N·md = 40 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 = 500 N·md = 40 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?50 kW, 300 rpm

Un eje macizo de acero transmite 50 kW a 300 rpm. La tensión cortante no debe superar 60 MPa y la torsión no debe superar 0,75° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 50 kWN = 300 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,75°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 10σy​ = −70τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 10 MPa, σᵧ = −70 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 10 MPaσy = −70 MPaτxy = −30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 20σy​ = 0τxy​ = −10MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 20 MPa, σᵧ = 0 MPa y τₓᵧ = −10 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 35° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 20 MPaσy = 0 MPaτxy = −10 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12600 mm500 mmØ20Ø60δ = 0,2 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 bronce (diámetro 60 mm, longitud 500 mm, E = 110 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,2 mm en total.

tramo 1: acero, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: bronce, Ø60 mm, 500 mm, E = 110 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmCobre0,5 mØ 20 mmCobre0,5 mP = 40 kN

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

P = 40 kNtramo 1: Ø30 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 5 m40 × 100 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 = 5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 15 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 15 kN con un coeficiente de seguridad de 2 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 15 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
tx15 mm5 ciclos4,3 mm

En un ensayo de vibración libre de un sistema masa–muelle amortiguado, a un pico de desplazamiento de 15 mm le sigue 5 ciclos después un pico de 4,3 mm. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

x0 = 15 mmx5 = 4,3 mmn = 5
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 25m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 100 kN/m y k₂ = 25 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 9,466 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/151,8 = 7,244 N·m

Par de salida

T2 = 7,244·80/60·0,98 = 9,466 N·m

Respuesta

T2 = 9,466 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 203,9 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 = 1450·30/40 = 1088 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1088·15/80 = 203,9 rpm

Respuesta

nout = 203,9 rpm

relación total = 7,111 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,71 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1200/(80000·251327) = 0,02984 rad
φ = 0,02984·180/π = 1,71°

Respuesta

φ = 1,71°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 62,73 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Diámetro por resistencia

T = 1592 N·m = 1,592 × 10⁶ N·mm
dτ = ∛(16·1,592 × 10⁶/(π·60)) = 51,31 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·1,592 × 10⁶/(π·80000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 62,73 mm

Diámetro determinante

Ambos límites deben cumplirse, así que manda el diámetro mayor.

d = max(51,31, 62,73) = 62,73 mm

Respuesta

d = 62,73 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 50 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 = √(((10 − −70)/2)² + −30²) = 50 MPa

Respuesta

τmax = 50 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 4,023 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 = 10 + 10·0,342 + −10·0,9397 = 4,023 MPa

Respuesta

σθ = 4,023 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 17,93 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 = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·314,2) = 9,549 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(110000·2827) = 1,608 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,2/1,116 × 10⁻⁵ = 17926 N = 17,93 kN

Respuesta

P = 17,93 kN
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,786 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 = 56,59 MPa
σ2 = 127,3 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 56,59·500/117000 = 0,2418 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 127,3·500/117000 = 0,5441 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,786 mm

Respuesta

δ = 0,786 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 30,08 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·533333/3500² = 30079 N = 30,08 kN

Respuesta

Pcr = 30,08 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 28,89 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 = 2·15000 = 30000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 28,89 mm

Respuesta

d = 28,89 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 207,7, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,03974

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(15/4,3) = 0,2499

Factor de amortiguamiento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2499/√(39,48 + 0,06244) = 0,03974

Respuesta

ζ = 0,03974
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 125 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 = 100 + 25 = 125 kN/m

Respuesta

keq = 125 kN/m

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