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 mm1500 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 240 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 80 mm a 1500 rpm. La tensión es de 1200 N en el ramal tenso y de 240 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1200 NT2 = 240 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 12B = 40C = 30D = 36

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (12 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (40 dientes). El engranaje C (30 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (36 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 40C = 30D = 36
nout = rpm
3.Torsión de ejesMedia
d = ?T = 1500 N·mL = 2,5 m

Un eje macizo de aluminio de 2,5 m de longitud transmite un par de 1500 N·m. El ángulo de torsión entre sus extremos no debe superar 3°. Halla el diámetro mínimo d que cumple este límite.

T = 1500 N·mL = 2,5 mG = 26 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torsión de ejesDifícil
do​ = ?30 kW, 500 rpm

Un eje hueco debe transmitir 30 kW a 500 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,7 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 80 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo do.

P = 30 kWN = 500 rpmdi/do = 0,7τallow = 80 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 30σy​ = 100τxy​ = −60MPa

En un punto σₓ = 30 MPa, σᵧ = 100 MPa y τₓᵧ = −60 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 50° en sentido antihorario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = 30 MPaσy = 100 MPaτxy = −60 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 20σy​ = −20τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 20 MPa, σᵧ = −20 MPa y τₓᵧ = 60 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 = −20 MPaτxy = 60 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmAcero1 mP = 80 kN

Halla la deformación axial ε en la barra de acero, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).

P = 80 kNd = 25 mmL = 1 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
50 kN12500 mm300 mmØ25Ø60σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 500 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 60 mm, longitud 300 mm, E = 70 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 50 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø60 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2,5 m20 × 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 = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 4 md = 30 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 4 mE = 70 GPa (aluminio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 12 kN/mc = 70 N·s/mm = 5 kg

Una masa de 5 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 12 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 70 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 5 kgk = 12 kN/mc = 70 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 40m = 10 kg

Una masa de 10 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 10 kN/m y k₂ = 40 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 = 10 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 6,032 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 = 6,283 m/s

Potencia

P = (1200 − 240)·6,283 = 6032 W = 6,032 kW

Respuesta

P = 6,032 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 375 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 = 1500·12/40 = 450 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 450·30/36 = 375 rpm

Respuesta

nout = 375 rpm

relación total = 4 : 1

3.Torsión de ejes

Respuesta: d = 72,78 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 = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 1,5 × 10⁶·2500/(26000·0,05236) = 2,755 × 10⁶ mm⁴

Diámetro

d = (32J/π)1/4 = 72,78 mm

Respuesta

d = 72,78 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

4.Torsión de ejes

Respuesta: do = 36,34 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 30000/52,36 = 573 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 573 N·m = 572958 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·572958/(π·80·0,7599)) = 36,34 mm
di = 0,7·36,34 = 25,44 mm

Respuesta

do = 36,34 mm

Un eje macizo necesitaría d = 33,16 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = 118 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 para la cara y′

σy′ = 65 − (−35)·(−0,1736) − (−60)·0,9848 = 118 MPa

Comprobación

La suma de las tensiones normales no cambia con el giro.

σx′ = 11,99 MPa, σx′ + σy′ = 130 = σx + σy

Respuesta

σy′ = 118 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 63,22 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 = 0 + 20·0,342 + 60·0,9397 = 63,22 MPa

Respuesta

σθ = 63,22 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 814,9 µε

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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 80·1000/490,9 = 163 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 163/200000 = 0,0008149 = 814,9 µε

Respuesta

ε = 814,9 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 13,63 MPa

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.

Rigideces

k₁ = 200000·490,9/500 = 196350 N/mm
k₂ = 70000·2827/300 = 659734 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 50000·659734/856084 = 38532 N

Tensión

σ2 = 38532/2827 = 13,63 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 13,63 MPa
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 2,948 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·2500 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·26667/2500² = 2948 N = 2,948 kN

Respuesta

Pcr = 2,948 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 9,715 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/7,5 = 266,7

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/266,7² = 9,715 MPa

Respuesta

σcr = 9,715 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1429

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.

Amortiguamiento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(12000·5) = 489,9 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 70/489,9 = 0,1429

Respuesta

ζ = 0,1429

ζ < 1, así que el sistema es subamortiguado y oscila mientras se amortigua.

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 11,25 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 = 10 + 40 = 50 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(50000/10) = 70,71 rad/s
fn = 70,71/(2π) = 11,25 Hz

Respuesta

fn = 11,25 Hz

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