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​ = 32N2​ = 50

Un motor de 2,2 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 32 dientes, que engrana con una rueda de 50 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 2,2 kWn1 = 1450 rpmN1 = 32N2 = 50η = 97%
T1 = N·m
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 1000 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 720 rpm con una polea de 500 mm; los centros están separados 1000 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 = 100 mmn1 = 720 rpmd2 = 500 mmC = 1000 mmμ = 0,35T1 = 800 N
P = kW
3.Torsión de ejesMedia
T = 1000 N·md = 50 mmL = 2,5 mφ = ?

Un eje macizo de aluminio 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 = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?30 kW, 300 rpm

Un eje macizo de acero transmite 30 kW a 300 rpm. La tensión cortante no debe superar 40 MPa y la torsión no debe superar 0,25° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 30 kWN = 300 rpmτallow = 40 MPaθallow = 0,25°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 160σy​ = 50τxy​ = 20MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 160 MPa, σᵧ = 50 MPa y τₓᵧ = 20 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 160 MPaσy = 50 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
40°D = 800 mm, t = 5 mm, p = 2 MPap

Un depósito cilíndrico de pared delgada, con un diámetro interior de 800 mm y un espesor de pared de 5 mm, contiene gas a una presión manométrica de 2 MPa. Está fabricado con chapa soldada a lo largo de una costura helicoidal a 40° del eje del cilindro. Halla la tensión normal σn que actúa perpendicularmente a la costura de soldadura.

D = 800 mmt = 5 mmp = 2 MPaα = 40°
σn = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
Ø 25 mmAcero3 mP = 40 kN

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

P = 40 kNd = 25 mmL = 3 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensión y deformación axialDifícil
Ø 35 mmAluminio1,5 mØ 16 mmAcero1,5 mP = 25 kN

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

P = 25 kNtramo 1: Ø35 mm, 1,5 m, aluminio (E = 70 GPa)tramo 2: Ø16 mm, 1,5 m, acero (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 1,5 m50 × 60 mmsección

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 5 kNL = 4 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. Debe soportar 5 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 5 kNn = 3L = 4 mE = 70 GPa (aluminio)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 2 kN/mc = 10 N·s/mm = 5 kg

Una masa de 5 kg está soportada por un muelle con una rigidez de 2 kN/m y un amortiguador viscoso con un coeficiente de amortiguamiento de 10 N·s/m. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 5 kgk = 2 kN/mc = 10 N·s/m
ζ =
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 10m = 5 kg

Una masa de 5 kg cuelga de dos muelles unidos uno tras otro (en serie): el muelle superior tiene k₁ = 10 kN/m y el inferior k₂ = 10 kN/m. Halla la rigidez equivalente keq del sistema de muelles en kN/m.

m = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 14,49 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 = 2200/151,8 = 14,49 N·m

Respuesta

T1 = 14,49 N·m
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 1,86 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 = 2,739 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,9586 = 2,608, T₂ = 800/2,608 = 306,7 N

Potencia

P = (800 − 306,7)·3,77 = 1,86 kW

Respuesta

P = 1,86 kW
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 8,979 °

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/(26000·613592) = 0,1567 rad
φ = 0,1567·180/π = 8,979°

Respuesta

φ = 8,979°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 72,66 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 = 30000/31,42 = 954,9 N·m

Diámetro por resistencia

T = 954,9 N·m = 954930 N·mm
dτ = ∛(16·954930/(π·40)) = 49,54 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·954930/(π·80000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 72,66 mm

Diámetro determinante

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

d = max(49,54, 72,66) = 72,66 mm

Respuesta

d = 72,66 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: θp = 9,992 °

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(2·20, 160 − 50) = 19,98°

Ángulo en el elemento

θp = 9,992°

Respuesta

θp = 9,992°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σn = 126,9 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. Cilindro de pared delgada: tensión circunferencial σh = pr/t y tensión axial σa = pr/(2t); son las tensiones principales en la pared.

Tensiones en la pared

r = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 2·400/5 = 160 MPa
σa = pr/(2t) = 80 MPa

Transforma a la costura

Toma x a lo largo del eje (σa) e y en dirección circunferencial (σh). La normal de la costura forma 90° − α con el eje.

σn = 80·sin²40° + 160·cos²40° = 126,9 MPa

Respuesta

σn = 126,9 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 407,4 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 = 40·1000/490,9 = 81,49 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for acero = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 81,49/200000 = 0,0004074 = 407,4 µε

Respuesta

ε = 407,4 µε
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 1,489 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 25,98 MPa
σ2 = 124,3 MPa

Suma los alargamientos de los tramos

δ1 = σ1L1/E1 = 25,98·1500/70000 = 0,5568 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 124,3·1500/200000 = 0,9325 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,489 mm

Respuesta

δ = 1,489 mm
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 47,98 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 2·1500 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/3000² = 47977 N = 47,98 kN

Respuesta

Pcr = 47,98 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 36,47 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 = 3·5000 = 15000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·15000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 36,47 mm

Respuesta

d = 36,47 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 219,4, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: ζ = 0,05

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·√(2000·5) = 200 N·s/m

Factor de amortiguamiento

ζ = c/cc = 10/200 = 0,05

Respuesta

ζ = 0,05

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

12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: keq = 5 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 en serie soportan la misma fuerza y suman sus deformaciones, así que se combinan como inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/10 + 1/10 → keq = 10·10/(10 + 10) = 5 kN/m

Respuesta

keq = 5 kN/m

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