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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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​ = 12N2​ = 48

Un motor de 7,5 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 12 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 7,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 12N2 = 48η = 98%
T2 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm2880 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 125 mm y una polea de 450 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 125 mmd2 = 450 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torsión de ejesMedia
T = 1000 N·md = 50 mmL = 2,5 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 = 1000 N·md = 50 mmL = 2,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Td = ?

Un eje macizo debe transmitir 30 kW a 1000 rpm sin que la tensión cortante supere 60 MPa. Halla el diámetro mínimo d que sirve.

P = 30 kWN = 1000 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 10σy​ = 40τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 10 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 10 MPaσy = 40 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 120σy​ = 10τxy​ = 20MPa

Un punto de una placa delgada está en tensión plana: σₓ = 120 MPa, σᵧ = 10 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (σz = 0). Halla la tensión equivalente de von Mises σvM.

σx = 120 MPaσy = 10 MPaτxy = 20 MPa
σvM = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 10 mmAluminio1 mP = 90 kN

Halla el alargamiento δ de la barra de aluminio bajo la carga axial.

P = 90 kNd = 10 mmL = 1 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 30 mmAcero0,5 mØ 12 mmAcero0,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNtramo 1: Ø30 mm, 0,5 m, acero (E = 200 GPa)tramo 2: Ø12 mm, 0,5 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 m25 × 60 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (acero)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 5 md = 40 mmsección

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

L = 5 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 25 kN/mc = 210 N·s/mm = 20 kg

Una masa de 20 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 25 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 210 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 20 kgk = 25 kN/mc = 210 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 40m = 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 = 40 kN/m. La masa se mantiene horizontal. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 195 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 = 7500/150,8 = 49,74 N·m

Par de salida

T2 = 49,74·48/12·0,98 = 195 N·m

Respuesta

T2 = 195 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 142,1 °

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 la correa

asin(0,325) = 18,97°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·18,97 = 142,1°

Respuesta

θ = 142,1°
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 2,918 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·2500/(80000·613592) = 0,05093 rad
φ = 0,05093·180/π = 2,918°

Respuesta

φ = 2,918°
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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 30000/104,7 = 286,5 N·m

Diámetro a partir de la tensión admisible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·286479/(π·60)) = 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: τmax = 61,85 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 − 40)/2)² + 60²) = 61,85 MPa

Respuesta

τmax = 61,85 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σvM = 120,4 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. Criterios de plastificación: von Mises predice la plastificación cuando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) alcanza σY; Tresca, cuando la tensión cortante máxima absoluta alcanza σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensiones principales

C = 65 MPa, R = 58,52 MPa
σ1 = 123,5 MPa, σ2 = 6,477 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(123,5² − 123,5·6,477 + 6,477²) = 120,4 MPa

Respuesta

σvM = 120,4 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 16,37 mm

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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 90·1000/78,54 = 1146 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for aluminio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 1146/70000 = 0,01637 = 16370 µε

Alargamiento

δ = ε·L = 0,01637·1000 mm = 16,37 mm

Respuesta

δ = 16,37 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,795 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 = 99,03 MPa
σ2 = 618,9 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 99,03·500/200000 = 0,2476 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 618,9·500/200000 = 1,547 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,795 mm

Respuesta

δ = 1,795 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 274,2 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/750² = 274156 N = 274,2 kN

Respuesta

Pcr = 274,2 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 7,896 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/10 = 500

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/500² = 7,896 MPa

Respuesta

σcr = 7,896 MPa
11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,1485

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·√(25000·20) = 1414 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 210/1414 = 0,1485

Respuesta

ζ = 0,1485

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 140 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 + 40 = 140 kN/m

Respuesta

keq = 140 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design