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​ = 120 mmd2​ = 500 mm960 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 375 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 120 mm a 960 rpm. La tensión es de 1500 N en el ramal tenso y de 375 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmT1 = 1500 NT2 = 375 N
P = kW
2.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 72C = 12D = ?

En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (20 dientes) del eje de entrada gira a 1440 rpm y acciona la rueda B (72 dientes). La rueda C (12 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 300 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?

nin = 1440 rpmA = 20B = 72C = 12nout = 300 rpm
ND =
3.Torsión de ejesMedia
T = 100 N·md = 25 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 = 100 N·md = 25 mmL = 2,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
d = ?15 kW, 1000 rpm

Un eje macizo de aluminio transmite 15 kW a 1000 rpm. La tensión cortante no debe superar 80 MPa y la torsión no debe superar 0,5° por m de longitud. Halla el diámetro mínimo d que cumple ambos límites.

P = 15 kWN = 1000 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,5°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = 50σy​ = −20τxy​ = 60MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 50 MPa, σᵧ = −20 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

σx = 50 MPaσy = −20 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​τxy​superficie superior del eje

Un eje macizo de 40 mm de diámetro soporta un momento flector de 200 N·m junto con un par de 2000 N·m. En la superficie superior, donde la tensión de flexión es de tracción y máxima, halla la tensión cortante máxima en el plano τmax.

d = 40 mmM = 200 N·mT = 2000 N·m
τmax = MPa
7.Tensión y deformación axialMedia
80 kNØ40110 GPaØ100/60500 mmδ = ?

Una varilla de acero (diámetro 40 mm, E = 200 GPa) está dentro de un tubo de bronce (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 60 mm, E = 110 GPa). Ambos miden 500 mm de largo y se comprimen juntos entre placas rígidas con 80 kN. Halla el acortamiento δ.

P = 80 kNbarra: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensión y deformación axialDifícil
P = ?Ø20120 GPaØ100/70400 mm

Una varilla de acero (diámetro 20 mm, E = 200 GPa, tensión admisible 120 MPa) está dentro de un tubo de cobre (diámetro exterior 100 mm, diámetro interior 70 mm, E = 120 GPa, tensión admisible 80 MPa). Se comprimen juntos entre placas rígidas. Halla la mayor carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 6 md = 80 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 = 6 mE = 200 GPa (acero)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
P = 120 kNL = 3 md = ?sección

Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y articulado arriba. Debe soportar 120 kN con un coeficiente de seguridad de 2,5 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 120 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
11.Vibraciones mecánicasMedia
k = 200 kN/mζ = 0,4m = 500 kg

Una masa de 500 kg sobre un muelle con una rigidez de 200 kN/m tiene un amortiguador viscoso que da un factor de amortiguamiento de 0,4. Halla la frecuencia natural amortiguada fd de su vibración libre en Hz.

m = 500 kgk = 200 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Vibraciones mecánicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 10m = 40 kg

Una masa de 40 kg cuelga de dos muelles uno al lado del otro (en paralelo), con rigideces k₁ = 15 kN/m y k₂ = 10 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 = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Disoluciones

1.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 6,786 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 = 6,032 m/s

Potencia

P = (1500 − 375)·6,032 = 6786 W = 6,786 kW

Respuesta

P = 6,786 kW
2.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: ND = 16

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.

Velocidad del eje intermedio

nB = nC = 1440·20/72 = 400 rpm

Dientes de la rueda D

ND = C·nC/nout = 12·400/300 = 16

Respuesta

ND = 16
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 14,37 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 100·1000·2500/(26000·38350) = 0,2507 rad
φ = 0,2507·180/π = 14,37°

Respuesta

φ = 14,37°
4.Torsión de ejes

Respuesta: d = 50,36 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 = 15000/104,7 = 143,2 N·m

Diámetro por resistencia

T = 143,2 N·m = 143239 N·mm
dτ = ∛(16·143239/(π·80)) = 20,89 mm

Diámetro por rigidez

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·143239/(π·26000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 50,36 mm

Diámetro determinante

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

d = max(20,89, 50,36) = 50,36 mm

Respuesta

d = 50,36 mm

Aquí manda la rigidez.

5.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 69,46 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 = √(((50 − −20)/2)² + 60²) = 69,46 MPa

Respuesta

τmax = 69,46 MPa
6.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τmax = 159,9 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.

Tensiones en la superficie

σ = 32M/(πd³) = 32·200000/(π·40³) = 31,83 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·2000000/(π·40³) = 159,2 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 15,92 MPa
R = √(15,92² + 159,2²) = 159,9 MPa

Respuesta

τmax = 159,9 MPa
7.Tensión y deformación axial

Respuesta: δ = 0,04974 mm

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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·5027 = 8,042 × 10⁸ N

Acortamiento

δ = 80000·500/8,042 × 10⁸ = 0,04974 mm

Respuesta

δ = 0,04974 mm
8.Tensión y deformación axial

Respuesta: Pmax = 326,1 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

Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 120·10³·4006 = 5,435 × 10⁸ N

Deformación determinante

ε = min(0,0006, 0,0006667) = 0,0006 (acero)

Mayor carga

Pmax = 0,0006·5,435 × 10⁸ = 326097 N = 326,1 kN

Respuesta

Pmax = 326,1 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 441 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

Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/3000² = 440978 N = 441 kN

Respuesta

Pcr = 441 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 60,79 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 = 2,5·120000 = 300000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·2100²/(π³·200000))^(1/4) = 60,79 mm

Respuesta

d = 60,79 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 138,2, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

11.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fd = 2,917 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 = √(200000/500) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Frecuencia natural amortiguada

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,183·√(1 − 0,4²) = 2,917 Hz

Respuesta

fd = 2,917 Hz
12.Vibraciones mecánicas

Respuesta: fn = 3,979 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 = 15 + 10 = 25 kN/m

Frecuencia natural

ωn = √(25000/40) = 25 rad/s
fn = 25/(2π) = 3,979 Hz

Respuesta

fn = 3,979 Hz

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