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​ = 120 mmd2​ = 500 mm1500 rpmn2​ = ?

Uma polia de 120 mm a 1500 rpm aciona uma polia de 500 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1500 rpmd1 = 120 mmd2 = 500 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 20B = 60C = 20D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (20 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 20B = 60C = 20D = 50
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 40 mmd2​ = 30 mmT = 500 N·mABC1 m0,5 m

Um eixo maciço escalonado de alumínio está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 40 mm e comprimento 1 m; o trecho BC tem diâmetro 30 mm e comprimento 0,5 m. Um torque de 500 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 500 N·md1 = 40 mm, L1 = 1 md2 = 30 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 100 kW a 1450 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 100 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = 100τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 140 MPaσy = 100 MPaτxy = −30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 80σy​ = 20τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 80 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 40° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 80 MPaσy = 20 MPaτxy = −30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmLatão0,5 mP = 60 kN

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

P = 60 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
40 kN12400 mm400 mmØ30Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 50 mm, comprimento 400 mm, E = 110 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 40 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø50 mm, 400 mm, E = 110 GPaP = 40 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m25 × 60 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 10 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 10 kNn = 2L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 8 kN/mζ = 0,35m = 80 kg

Uma massa de 80 kg sobre uma mola com rigidez de 8 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 80 kgk = 8 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 80k3​ = 80m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada na mola k₃ = 80 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 5 kN/m e k₂ = 80 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 = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 345,6 rpm

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 sem escorregamento

1500·120/500 = 360 rpm

Com escorregamento

n2 = 360·0,96 = 345,6 rpm

Resposta

n2 = 345,6 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 400 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 = 3000·20/60 = 1000 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1000·20/50 = 400 rpm

Resposta

nout = 400 rpm

relação total = 7,5 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 94,31 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.

Tensão em cada trecho

T = 500 N·m = 500000 N·mm
τAB = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa
τBC = 16·500000/(π·30³) = 94,31 MPa

Resposta

τmax = 94,31 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 38,24 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 = 100000/151,8 = 658,6 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·658572/(π·60)) = 38,24 mm

Resposta

d = 38,24 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 36,06 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.

σxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((140 − 100)/2)² + −30²) = 36,06 MPa

Resposta

τmax = 36,06 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 25,67 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.

Equação de transformação

σθ = 50 + 30·0,1736 + −30·0,9848 = 25,67 MPa

Resposta

σθ = 25,67 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,4244 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 60·1000/706,9 = 84,88 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 84,88/100000 = 0,0008488 = 848,8 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0008488·500 mm = 0,4244 mm

Resposta

δ = 0,4244 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 12,31 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 = 200000·706,9/400 = 353429 N/mm
k₂ = 110000·1963/400 = 539961 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 40000·539961/893390 = 24176 N

Tensão

σ2 = 24176/1963 = 12,31 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 12,31 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 9,638 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·2000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/4000² = 9638 N = 9,638 kN

Resposta

Pcr = 9,638 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 28,4 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 = 2·10000 = 20000 N
KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·20000·1050²/(π³·70000))^(1/4) = 28,4 mm

Resposta

d = 28,4 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 147,9, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,491 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.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(8000/80) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,35²) = 1,491 Hz

Resposta

fd = 1,491 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 10,22 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 = 5 + 80 = 85 kN/m
keq = 85·80/(85 + 80) = 41,21 kN/m

Frequência natural

ωn = √(41212/10) = 64,2 rad/s
fn = 64,2/(2π) = 10,22 Hz

Resposta

fn = 10,22 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design