Projeto de Máquinas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

1Fórmulas e métodos

Engrenagens e trens de engrenagens

Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio

Torção de eixos

Tensão de cisalhamento
τ = T·r/J
Eixo maciço
J = πd⁴/32
Eixo vazado
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ângulo de torção
φ = TL/(GJ)
Potência
P = T·ω = 2πnT/60

Método

  1. Encontre o momento polar de inércia: J = πd⁴/32 para um eixo maciço.
  2. Tensão de cisalhamento na superfície: τ = T·r/J, com r o raio externo.
  3. Ângulo de torção: φ = TL/(GJ) em radianos.
  4. Se a potência for dada, encontre primeiro o torque com P = T·ω, ω = 2πn/60.

Círculo de Mohr e transformação de tensões

Centro
C = (σx + σy)/2
Raio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensões principais
σ1,2 = C ± R
Direção principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Método

  1. Calcule o centro do círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcule o raio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. As tensões principais são C ± R e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.
  4. Os ângulos no círculo são o dobro dos ângulos no elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tensão e deformação axial

Tensão normal
σ = F/A
Deformação
ε = ΔL/L
Lei de Hooke
σ = E·ε
Alongamento
ΔL = FL/(EA)
Deformação térmica
εT = α·ΔT

Flambagem de pilares

Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Fator de comprimento efetivo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 engastado–engastado, 0,7 engastado–articulado, 2 engastado–livre
Tensão crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrações mecânicas

Frequência natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir da deflexão estática
ωn = √(g/δst)
Amortecimento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fator de amortecimento
ζ = c/cc
Frequência amortecida
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molas em paralelo
k = k1 + k2
Molas em série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercícios

1.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 200 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 125 mm a 1500 rpm. A tração é de 800 N no lado tracionado e de 200 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 200 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 200 mm a 960 rpm a uma polia de 300 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 500 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 200 mmn1 = 960 rpmd2 = 300 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 500 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 50 mmL = 1 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 750 N·md = 50 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 20 kW a 1450 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 20 kWN = 1450 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 20σy​ = −20MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 20 MPa e σᵧ = −20 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 80 MPa?

σx = 20 MPaσy = −20 MPaσ1 = 80 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 20σy​ = 40τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 20 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 420 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = 20 MPaσy = 40 MPaτxy = 40 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmLatão1,5 mP = 20 kN

Encontre o alongamento δ da barra de latão sob a carga axial.

P = 20 kNd = 25 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
20 kN12400 mm200 mmØ20Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) e um trecho de alumínio (diâmetro 50 mm, comprimento 200 mm, E = 70 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 20 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø50 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m40 × 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 6 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 15 kNL = 2 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 15 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 15 kNn = 2,5L = 2 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx25 mm2 ciclos17,1 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 25 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 17,1 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 25 mmx2 = 17,1 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 5k3​ = 100m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada na mola k₃ = 100 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 80 kN/m e k₂ = 5 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 100 kgk1 = 80 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 5,89 kW

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Velocidade da correia

v = 9,817 m/s

Potência

P = (800 − 200)·9,817 = 5890 W = 5,89 kW

Resposta

P = 5,89 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,947 kW

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Ângulo de abraçamento

θ = 2,941 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,8824 = 2,417, T₂ = 500/2,417 = 206,9 N

Potência

P = (500 − 206,9)·10,05 = 2,947 kW

Resposta

P = 2,947 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,694 °

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Momento polar de inércia

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1000/(26000·613592) = 0,04701 rad
φ = 0,04701·180/π = 2,694°

Resposta

φ = 2,694°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 23,76 mm

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 20000/151,8 = 131,7 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·131714/(π·50)) = 23,76 mm

Resposta

d = 23,76 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 77,46 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.

Raio necessário

C = (20 + (−20))/2 = 0 MPa
R = σ1 − C = 80 − 0 = 80 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(80² − 20²) = 77,46 MPa

Resposta

τxy = 77,46 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 5,093

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R. Critérios de escoamento: von Mises prevê escoamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atinge σY; Tresca quando a tensão de cisalhamento máxima absoluta atinge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 30 MPa, R = 41,23 MPa
σ1 = 71,23 MPa, σ2 = −11,23 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 82,46 MPa
n = 420/82,46 = 5,093

Resposta

n = 5,093

n > 1 significa que o ponto não escoa; Tresca é um pouco mais conservador que von Mises.

7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,6112 mm

Lei de Hooke: no regime elástico σ = E·ε. Combinando com σ = P/A e ε = δ/L, obtém-se δ = PL/(AE).

Tensão

A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 20·1000/490,9 = 40,74 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 40,74/100000 = 0,0004074 = 407,4 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0004074·1500 mm = 0,6112 mm

Resposta

δ = 0,6112 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 8,291 MPa

Dois materiais: em série (um após o outro), cada trecho suporta a mesma força e os alongamentos se somam: δ = P·Σ L/(E·A). Em paralelo (lado a lado entre placas rígidas), as duas partes encurtam o mesmo tanto, de modo que suas deformações são iguais: a parte mais rígida assume a maior fatia, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Uma barra presa entre duas paredes rígidas com uma carga na junção é estaticamente indeterminada: os dois trechos dividem a carga na proporção da sua rigidez k = EA/L.

Rigidezes

k₁ = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 70000·1963/200 = 687223 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 20000·687223/844303 = 16279 N

Tensão

σ2 = 16279/1963 = 8,291 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 8,291 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 5,849 kN

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Menor momento de inércia

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·6000 = 12000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·426667/12000² = 5849 N = 5,849 kN

Resposta

Pcr = 5,849 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 45,86 mm

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Carga crítica necessária

Pcr = n·P = 2,5·15000 = 37500 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·37500·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 45,86 mm

Resposta

d = 45,86 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 174,4, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,03021

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Decremento logarítmico

δ = (1/2)·ln(25/17,1) = 0,1899

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1899/√(39,48 + 0,03606) = 0,03021

Resposta

ζ = 0,03021
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,411 Hz

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidez equivalente

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 80 + 5 = 85 kN/m
keq = 85·100/(85 + 100) = 45,95 kN/m

Frequência natural

ωn = √(45946/100) = 21,44 rad/s
fn = 21,44/(2π) = 3,411 Hz

Resposta

fn = 3,411 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design