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
Tw​ = ?z = 2, 960 rpm

Um motor de 0,75 kW a 960 rpm aciona um parafuso sem-fim com 2 entrada(s). A coroa tem 30 dentes e a transmissão tem eficiência de 80%. Encontre o torque de saída Tw no eixo da coroa.

z = 2Nw = 30n = 960 rpmP = 0,75 kWη = 80%
Tw = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 48C = 20D = 32

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (48 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (32 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 960 rpmA = 15B = 48C = 20D = 32
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 50 mmL = 0,8 mφ = ?

Um eixo maciço de latão 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 = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 30 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 500 N·mABC0,8 m1,2 m

Um eixo maciço de aço com diâmetro 30 mm está fixo em A. Um torque de 400 N·m atua em B, a 0,8 m de A, e um torque de 500 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 1,2 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 30 mmTB = 400 N·mTC = 500 N·mAB = 0,8 mBC = 1,2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −80σy​ = 10τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = −80 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
30°D = 400 mm, t = 6 mm, p = 2,5 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 400 mm e espessura de parede de 6 mm contém gás a uma pressão manométrica de 2,5 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 30° do eixo do cilindro. Encontre o módulo da tensão de cisalhamento |τn| que atua ao longo da costura de solda.

D = 400 mmt = 6 mmp = 2,5 MPaα = 30°
|τn| = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
300 kNØ40120 GPaØ100/70300 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 40 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 120 GPa). Ambos têm 300 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 300 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 300 kNbarra: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
100 kN12500 mm300 mmØ30Ø30σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 30 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 100 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø30 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 m20 × 60 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 25 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx12 mm1 ciclo9,3 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 12 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 9,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 12 mmx1 = 9,3 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 5m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 10 kN/m e a inferior k₂ = 5 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

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

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tw = 89,52 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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 960·2/30 = 64 rpm

Torque de saída

ωw = 2π·64/60 = 6,702 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,8·750/6,702 = 89,52 N·m

Resposta

Tw = 89,52 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 187,5 rpm

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.

Primeiro estágio

nB = 960·15/48 = 300 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 300·20/32 = 187,5 rpm

Resposta

nout = 187,5 rpm

relação total = 5,12 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,437 °

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) = 750·1000·800/(39000·613592) = 0,02507 rad
φ = 0,02507·180/π = 1,437°

Resposta

φ = 1,437°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 169,8 MPa

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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC + TB = 500 + 400 = 900 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 900 N·m
τmax = 16·900000/(π·30³) = 169,8 MPa

Resposta

τmax = 169,8 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 73,15 °

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(2·30, −80 − 10) = 146,3°

Ângulo no elemento

θp = 73,15°

Resposta

θp = 73,15°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: |τn| = 18,04 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 400/2 = 200 mm
σh = pr/t = 2,5·200/6 = 83,33 MPa
σa = pr/(2t) = 41,67 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

|τn| = (83,33 − 41,67)·sin 30°·cos 30° = 18,04 MPa

Resposta

|τn| = 18,04 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,123 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·4006 = 7,32 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 300000·300/7,32 × 10⁸ = 0,123 mm

Resposta

δ = 0,123 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 70,74 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 = 200000·706,9/500 = 282743 N/mm
k₂ = 120000·706,9/300 = 282743 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 100000·282743/565487 = 50000 N

Tensão

σ2 = 50000/706,9 = 70,74 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 70,74 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 49,13 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/750² = 49129 N = 49,13 kN

Resposta

Pcr = 49,13 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 11,99 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/6,25 = 240

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/240² = 11,99 MPa

Resposta

σcr = 11,99 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,04053

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 = (1/1)·ln(12/9,3) = 0,2549

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2549/√(39,48 + 0,06497) = 0,04053

Resposta

ζ = 0,04053
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 3,333 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 = 1/10 + 1/5 → keq = 10·5/(10 + 5) = 3,333 kN/m

Resposta

keq = 3,333 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design