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​ = 160 mmd2​ = 250 mm1440 rpmT1​ = 400 NT2​ = 80 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 160 mm a 1440 rpm. A tração é de 400 N no lado tracionado e de 80 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 160 mmn1 = 1440 rpmT1 = 400 NT2 = 80 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 800 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 125 mm a 1450 rpm a uma polia de 250 mm; os centros estão a 800 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,35 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmd2 = 250 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 1000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
d = 12 mmT = 20 N·m300 mmφ = 2,11°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 12 mm é torcido por um torque de 20 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 300 mm giram 2,11° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 20 N·md = 12 mmL = 300 mmφ = 2,11°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
d = ?10 kW, 1500 rpm

Um eixo maciço de latão transmite 10 kW a 1500 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa e a torção não pode passar de 0,5° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 10 kWN = 1500 rpmτallow = 75 MPaθallow = 0,5°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = 100τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 140 MPaσy = 100 MPaτxy = −20 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 140σy​ = 90τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 140 MPaσy = 90 MPaτxy = 10 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmCobre1 mP = 55 kN

Encontre a deformação axial ε na barra de cobre, em microdeformação (µε = 10⁻⁶).

P = 55 kNd = 16 mmL = 1 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAlumínio2 mØ 20 mmCobre1 mP = 75 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre o alongamento total δ.

P = 75 kNtrecho 1: Ø30 mm, 2 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m30 × 100 mmseção transversal

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

L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 135 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 135 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 135 kNn = 3L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx20 mm5 ciclos10,7 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 20 mm é seguido, 5 ciclos depois, por um pico de 10,7 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 20 mmx5 = 10,7 mmn = 5
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 80m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 100 kN/m e a inferior k₂ = 80 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 3,86 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 = 12,06 m/s

Potência

P = (400 − 80)·12,06 = 3860 W = 3,86 kW

Resposta

P = 3,86 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,152 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 = 2,985 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e1,045 = 2,843, T₂ = 1000/2,843 = 351,8 N

Potência

P = (1000 − 351,8)·9,49 = 6,152 kW

Resposta

P = 6,152 kW
3.Torção de eixos

Resposta: G = 80,03 GPa

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 e ângulo

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 2,11·π/180 = 0,03683 rad

Módulo de cisalhamento

T = 20 N·m = 20000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 20000·300/(2036·0,03683) = 80033 MPa
G = 80,03 GPa

Resposta

G = 80,03 GPa

Compare: aço ≈ 80 GPa, latão ≈ 39 GPa, alumínio ≈ 26 GPa.

4.Torção de eixos

Resposta: d = 37,15 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 10000/157,1 = 63,66 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 63,66 N·m = 63662 N·mm
dτ = ∛(16·63662/(π·75)) = 16,29 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·63662/(π·39000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 37,15 mm

Diâmetro determinante

Os dois limites devem ser atendidos, então o maior diâmetro governa.

d = max(16,29, 37,15) = 37,15 mm

Resposta

d = 37,15 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 28,28 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 + −20²) = 28,28 MPa

Resposta

τmax = 28,28 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 136,2 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 = 115 + 25·0,5 + 10·0,866 = 136,2 MPa

Resposta

σθ = 136,2 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 2338 µε

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 55·1000/201,1 = 273,5 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 273,5/117000 = 0,002338 = 2338 µε

Resposta

ε = 2338 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 5,072 mm

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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 106,1 MPa
σ2 = 238,7 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 106,1·2000/70000 = 3,032 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 238,7·1000/117000 = 2,04 mm
δ = δ1 + δ2 = 5,072 mm

Resposta

δ = 5,072 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 9,715 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·4000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·225000/4000² = 9715 N = 9,715 kN

Resposta

Pcr = 9,715 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 78,32 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 = 3·135000 = 405000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·405000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 78,32 mm

Resposta

d = 78,32 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 153,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,01991

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 = (1/5)·ln(20/10,7) = 0,1251

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1251/√(39,48 + 0,01565) = 0,01991

Resposta

ζ = 0,01991
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 10,61 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

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

1/keq = 1/100 + 1/80 → keq = 100·80/(100 + 80) = 44,44 kN/m

Frequência natural

ωn = √(44444/10) = 66,67 rad/s
fn = 66,67/(2π) = 10,61 Hz

Resposta

fn = 10,61 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design