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​N2​ = ?

Dois eixos paralelos estão a 84 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 3 mm e redução de 2,5 : 1. Quantos dentes N2 a engrenagem deve ter?

a = 84 mmm = 3 mmi = 2,5
N2 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 400 mm1450 rpmC = 800 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 80 mm a 1450 rpm a uma polia de 400 mm; os centros estão a 800 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 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 = 80 mmn1 = 1450 rpmd2 = 400 mmC = 800 mmμ = 0,25T1 = 1000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
do​ = ?T = 1500 N·m

Um eixo vazado deve suportar um torque de 1500 N·m. Seu diâmetro interno deve ser 0,5 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

T = 1500 N·mdi/do = 0,5τallow = 50 MPa
do = mm
4.Torção de eixosDifícil
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 750 N·mABC2 m0,8 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 40 mm está fixo em A. Um torque de 200 N·m atua em B, a 2 m de A, e um torque de 750 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 0,8 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 750 N·mAB = 2 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −50σy​ = −50τxy​ = 30MPa

Um ponto tem σₓ = −50 MPa, σᵧ = −50 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). O elemento é girado 60° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = −50 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 30σy​ = −20τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 30 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 25° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 30 MPaσy = −20 MPaτxy = −30 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmAço1 mP = 95 kN

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

P = 95 kNd = 16 mmL = 1 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø25110 GPaØ120/70800 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 160 MPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 110 GPa, tensão admissível 50 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 110 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 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 = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 45 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 45 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 45 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx40 mm4 ciclos5,3 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 40 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 5,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 5,3 mmn = 4
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 25m = 25 kg

Uma massa de 25 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 = 25 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N2 = 40

Geometria de engrenagens: o módulo m define o tamanho do dente. Uma engrenagem com N dentes tem diâmetro primitivo d = m·N, duas engrenagens acopladas têm o mesmo módulo, e a distância entre centros é a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. A velocidade tangencial no diâmetro primitivo é v = π·d·n/60, e a força tangencial no dente vem do torque: Ft = 2T/d.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·84/3 = 56

Divida pela relação

N1 = 56/(1 + 2,5) = 16
N2 = 2,5·16 = 40

Resposta

N2 = 40
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 3,011 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 = 2,739 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,6847 = 1,983, T₂ = 1000/1,983 = 504,2 N

Potência

P = (1000 − 504,2)·6,074 = 3,011 kW

Resposta

P = 3,011 kW
3.Torção de eixos

Resposta: do = 54,62 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.

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,5 × 10⁶/(π·50·0,9375)) = 54,62 mm
di = 0,5·54,62 = 27,31 mm

Resposta

do = 54,62 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 53,46 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 75,6 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 = 750 N·m
TAB = TC + TB = 750 + 200 = 950 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

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

|T|max = 950 N·m
τmax = 16·950000/(π·40³) = 75,6 MPa

Resposta

τmax = 75,6 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = −75,98 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 para a face y′

σy′ = −50 − 0·(−0,5) − 30·0,866 = −75,98 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = −24,02 MPa, σx′ + σy′ = −100 = σx + σy

Resposta

σy′ = −75,98 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −1,912 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 = 5 + 25·0,6428 + −30·0,766 = −1,912 MPa

Resposta

σθ = −1,912 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,362 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 95·1000/201,1 = 472,5 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 472,5/200000 = 0,002362 = 2362 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,002362·1000 mm = 2,362 mm

Resposta

δ = 2,362 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 417,7 kN

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·7461 = 9,189 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0008, 0,0004545) = 0,0004545 (bronze)

Maior carga

Pmax = 0,0004545·9,189 × 10⁸ = 417689 N = 417,7 kN

Resposta

Pmax = 417,7 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,109 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 = 2·2500 = 5000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·112500/5000² = 3109 N = 3,109 kN

Resposta

Pcr = 3,109 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 28,43 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 = 2,5·45000 = 112500 N
KL = 0,5·1500 = 750 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·112500·750²/(π³·200000))^(1/4) = 28,43 mm

Resposta

d = 28,43 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 105,5, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,08016

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 = (1/4)·ln(40/5,3) = 0,5053

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5053/√(39,48 + 0,2553) = 0,08016

Resposta

ζ = 0,08016
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,502 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 + 1/25 → keq = 100·25/(100 + 25) = 20 kN/m

Frequência natural

ωn = √(20000/25) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Resposta

fn = 4,502 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design