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​ = 36N2​ = 48

Un motor de 3 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 3 kWn1 = 1440 rpmN1 = 36N2 = 48η = 100%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 720 rpm con una polea de 450 mm; los centros están separados 600 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 800 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmd2 = 450 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 800 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
T = 400 N·md = 30 mmL = 1,5 mφ = ?

Un eje macizo de latón 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 = 400 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 30 kW a 1500 rpm sin que la tensión cortante supere 40 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 30 kWN = 1500 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 20σy​ = 110τxy​ = −40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 20 MPa, σᵧ = 110 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 20 MPaσy = 110 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 40σy​ = 20τxy​ = −40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 40 MPa, σᵧ = 20 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 60° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 40 MPaσy = 20 MPaτxy = −40 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 16 mmLatón1,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 16 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 25 mmAcero2 mØ 20 mmLatón1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNtramo 1: Ø25 mm, 2 m, acero (E = 200 GPa)tramo 2: Ø20 mm, 1,5 m, latón (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 m25 × 100 mmsección

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

L = 6 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 55 kNL = 2 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 55 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 55 kNn = 3L = 2 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 80 kN/mζ = 0,35m = 2 kg

Una masa de 2 kg sobre un muelle con una rigidez de 80 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 = 2 kgk = 80 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 30m = 50 kg

Una masa de 50 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 30 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 = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 19,89 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/150,8 = 19,89 N·m

Respuesta

T1 = 19,89 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,919 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 = 2,653 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9287 = 2,531, T₂ = 800/2,531 = 316,1 N

Potencia

P = (800 − 316,1)·6,032 = 2,919 kW

Respuesta

P = 2,919 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 11,08 °

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.

Momento polar de inercia

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1500/(39000·79522) = 0,1935 rad
φ = 0,1935·180/π = 11,08°

Respuesta

φ = 11,08°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 28,97 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 30000/157,1 = 191 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·190986/(π·40)) = 28,97 mm

Respuesta

d = 28,97 mm

En la práctica redondearías al siguiente tamaño normalizado.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = −69,18 °

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·−40, 20 − 110) = −138,4°

Ángulo en el elemento

θp = −69,18°

Respuesta

θp = −69,18°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = −9,641 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 = 30 + 10·−0,5 + −40·0,866 = −9,641 MPa

Respuesta

σθ = −9,641 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 2487 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 50·1000/201,1 = 248,7 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for latón = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 248,7/100000 = 0,002487 = 2487 µε

Respuesta

ε = 2487 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 6,131 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 183,3 MPa
σ2 = 286,5 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 183,3·2000/200000 = 1,833 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 286,5·1500/100000 = 4,297 mm
δ = δ1 + δ2 = 6,131 mm

Respuesta

δ = 6,131 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 14,57 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 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/4200² = 14570 N = 14,57 kN

Respuesta

Pcr = 14,57 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 72,25 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 = 3·55000 = 165000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 72,25 mm

Respuesta

d = 72,25 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 221,5, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 29,82 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 = √(80000/2) = 200 rad/s
fn = 200/(2π) = 31,83 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 31,83·√(1 − 0,35²) = 29,82 Hz

Respuesta

fd = 29,82 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 5,513 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 = 30 + 30 = 60 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(60000/50) = 34,64 rad/s
fn = 34,64/(2π) = 5,513 Hz

Respuesta

fn = 5,513 Hz

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