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​ = 30N2​ = 36

Um motor de 7,5 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 30 dentes, que engrena com uma engrenagem de 36 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 7,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 30N2 = 36η = 98%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 25C = 12D = 32

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (25 dentes). A engrenagem C (12 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 = 1450 rpmA = 18B = 25C = 12D = 32
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 30 mmd2​ = 25 mmT = 100 N·mABC1,2 m2,5 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 30 mm e comprimento 1,2 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 2,5 m. Um torque de 100 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 100 N·md1 = 30 mm, L1 = 1,2 md2 = 25 mm, L2 = 2,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?10 kW, 3000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 10 kW a 3000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,8 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 10 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 130σy​ = −80τxy​ = 50MPa

Um ponto tem σₓ = 130 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). O elemento é girado 25° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 130 MPaσy = −80 MPaτxy = 50 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 40σy​ = 10τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 40 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 40 MPaσy = 10 MPaτxy = 10 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12500 mm500 mmØ30Ø40δ = 0,4 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de latão (diâmetro 40 mm, comprimento 500 mm, E = 100 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,4 mm no total.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø40 mm, 500 mm, E = 100 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø25120 GPaØ80/50600 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 150 MPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 120 GPa, tensão admissível 100 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m50 × 80 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 = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 30 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio 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 = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx50 mm3 ciclos34,3 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 50 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 34,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 50 mmx3 = 34,3 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 20m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 25 kN/m e a inferior k₂ = 20 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 25 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 24,7 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/303,7 = 24,7 N·m

Resposta

T1 = 24,7 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 391,5 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 = 1450·18/25 = 1044 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1044·12/32 = 391,5 rpm

Resposta

nout = 391,5 rpm

relação total = 3,704 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 32,59 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 = 100 N·m = 100000 N·mm
τAB = 16·100000/(π·30³) = 18,86 MPa
τBC = 16·100000/(π·25³) = 32,59 MPa

Resposta

τmax = 32,59 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: do = 16,6 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 = 10000/314,2 = 31,83 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·31831/(π·60·0,5904)) = 16,6 mm
di = 0,8·16,6 = 13,28 mm

Resposta

do = 16,6 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 13,93 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = −80,79 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′ = 25 − 105·0,6428 − 50·0,766 = −80,79 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 130,8 MPa, σx′ + σy′ = 50 = σx + σy

Resposta

σy′ = −80,79 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 35 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 = 25 + 15·0 + 10·1 = 35 MPa

Resposta

σθ = 35 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 53,22 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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·706,9) = 3,537 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(100000·1257) = 3,979 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,4/7,516 × 10⁻⁶ = 53222 N = 53,22 kN

Resposta

P = 53,22 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 349,3 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(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·3063 = 4,657 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,00075, 0,0008333) = 0,00075 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,00075·4,657 × 10⁸ = 349306 N = 349,3 kN

Resposta

Pmax = 349,3 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 143,9 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/2000² = 143932 N = 143,9 kN

Resposta

Pcr = 143,9 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 4,318 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/7,5 = 400

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Resposta

σcr = 4,318 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,01999

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 = (1/3)·ln(50/34,3) = 0,1256

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1256/√(39,48 + 0,01578) = 0,01999

Resposta

ζ = 0,01999
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,355 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 = 1/25 + 1/20 → keq = 25·20/(25 + 20) = 11,11 kN/m

Frequência natural

ωn = √(11111/25) = 21,08 rad/s
fn = 21,08/(2π) = 3,355 Hz

Resposta

fn = 3,355 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design