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
N1​ = 25N2​ = 60

Um motor de 7,5 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 25 dentes, que engrena com uma engrenagem de 60 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 7,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 60η = 97%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 500 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 150 mm a 960 rpm a uma polia de 400 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 e a tração no lado tracionado não pode exceder 600 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 600 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 20 mmL = 0,5 mφ = ?

Um eixo maciço de aço 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 = 500 N·md = 20 mmL = 0,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 100 kW a 3000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 100 kWN = 3000 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = 30τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 160 MPaσy = 30 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 160σy​ = −70τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 160 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (σz = 0). Encontre a tensão equivalente de von Mises σvM.

σx = 160 MPaσy = −70 MPaτxy = 40 MPa
σvM = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
250 kNØ3070 GPaØ120/60400 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 70 GPa). Ambos têm 400 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 250 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 250 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmAlumínio1 mØ 12 mmAço2 mP = 30 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre a maior tensão normal σmax na barra.

P = 30 kNtrecho 1: Ø35 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 m30 × 50 mmseção transversal

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 10 kN/mc = 60 N·s/mm = 8 kg

Uma massa de 8 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 10 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 60 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 8 kgk = 10 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 60m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 20 kN/m e a inferior k₂ = 60 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 111,2 N·m

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Torque do motor

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/157,1 = 47,75 N·m

Torque de saída

T2 = 47,75·60/25·0,97 = 111,2 N·m

Resposta

T2 = 111,2 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,184 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 = 2,636 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,6591 = 1,933, T₂ = 600/1,933 = 310,4 N

Potência

P = (600 − 310,4)·7,54 = 2,184 kW

Resposta

P = 2,184 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 11,4 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·500/(80000·15708) = 0,1989 rad
φ = 0,1989·180/π = 11,4°

Resposta

φ = 11,4°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 27,26 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 100000/314,2 = 318,3 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·318310/(π·80)) = 27,26 mm

Resposta

d = 27,26 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 8,551 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr, o ponto x fica a um ângulo 2θp do eixo σ; o quadrante decorre dos sinais de σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·20, 160 − 30) = 17,1°

Ângulo no elemento

θp = 8,551°

Resposta

θp = 8,551°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σvM = 215,6 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. 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 = 45 MPa, R = 121,8 MPa
σ1 = 166,8 MPa, σ2 = −76,76 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(166,8² − 166,8·(−76,76) + (−76,76)²) = 215,6 MPa

Resposta

σvM = 215,6 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,136 mm

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.

Áreas

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·8482 = 7,351 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 250000·400/7,351 × 10⁸ = 0,136 mm

Resposta

δ = 0,136 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 265,3 MPa

Barras com carga axial: cada trecho prismático obedece a δ = PL/(AE). Para barras em série, os alongamentos se somam.

A mesma força nos dois trechos

A extremidade livre suporta P, então toda seção da barra suporta a mesma força axial P. Só as áreas e os materiais mudam.

A1 = π·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 31,18 MPa
σ2 = 265,3 MPa

Maior tensão

O trecho mais fino tem a menor área, então suporta a maior tensão.

σmax = 265,3 MPa

Resposta

σmax = 265,3 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 8,636 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·1500 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·112500/3000² = 8636 N = 8,636 kN

Resposta

Pcr = 8,636 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 21,93 MPa

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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/300² = 21,93 MPa

Resposta

σcr = 21,93 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1061

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(10000·8) = 565,7 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 60/565,7 = 0,1061

Resposta

ζ = 0,1061

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 15 kN/m

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

Molas em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/20 + 1/60 → keq = 20·60/(20 + 60) = 15 kN/m

Resposta

keq = 15 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design