Projeto de Máquinas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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

a = 45 mmm = 1,5 mmi = 3
N2 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 16coroa fixaNp​ = 20nc​ = ?

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 16 dentes e cada satélite tem 20 dentes. A coroa é mantida fixa e a solar é acionada a 1200 rpm. Encontre a rotação nc do porta-satélites.

Ns = 16Np = 20ns = 1200 rpm
nc = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 30 mmT = 750 N·mABC1,5 m2 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 1,5 m; o trecho BC tem diâmetro 30 mm e comprimento 2 m. Um torque de 750 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 750 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,5 md2 = 30 mm, L2 = 2 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 30 mm

Um eixo vazado transmite 30 kW a 1000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 30 kWN = 1000 rpmdo = 40 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 30σy​ = 30MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 30 MPa e σᵧ = 30 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 85 MPa?

σx = 30 MPaσy = 30 MPaσ1 = 85 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 20σy​ = 50τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 20 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 20 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmAlumínio3 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 20 mmL = 3 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão0,5 mØ 12 mmAlumínio1 mP = 25 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre a maior tensão normal σmax na barra.

P = 25 kNtrecho 1: Ø25 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 60 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 12 kN/mζ = 0,45m = 100 kg

Uma massa de 100 kg sobre uma mola com rigidez de 12 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 100 kgk = 12 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 20m = 50 kg

Uma massa de 50 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 = 20 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 50 kgk1 = 100 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N2 = 45

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·45/1,5 = 60

Divida pela relação

N1 = 60/(1 + 3) = 15
N2 = 3·15 = 45

Resposta

N2 = 45
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nc = 266,7 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·20 = 56

Equação de Willis com a coroa fixa

Faça nr = 0 e resolva para a rotação do porta-satélites.

(1200 − nc)/(0 − nc) = −56/16
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1200·16/72 = 266,7 rpm

Resposta

nc = 266,7 rpm

O porta-satélites gira no mesmo sentido que a solar.

3.Torção de eixos

Resposta: φC = 13,77 °

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.

Momentos polares

J1 = π·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 750 N·m = 750000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 750000·1500/(80000·3,106 × 10⁶) = 0,004527 rad
φBC = 750000·2000/(80000·79522) = 0,2358 rad

Torção total

φC = 0,004527 + 0,2358 = 0,2403 rad = 13,77°

Resposta

φC = 13,77°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 33,35 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.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 30000/104,7 = 286,5 N·m

Momento polar de inércia

J = π(40⁴ − 30⁴)/32 = 171806 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 286479·20/171806 = 33,35 MPa

Resposta

τmax = 33,35 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 55 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.

Raio necessário

C = (30 + 30)/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 85 − 30 = 55 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(55² − 0²) = 55 MPa

Resposta

τxy = 55 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 15 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

τθ = −−15·1 + 30·0 = 15 MPa

Resposta

τθ = 15 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 3410 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 75·1000/314,2 = 238,7 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 238,7/70000 = 0,00341 = 3410 µε

Resposta

ε = 3410 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 221 MPa

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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 50,93 MPa
σ2 = 221 MPa

Maior tensão

O trecho mais fino tem a menor área, então suporta a maior tensão.

σmax = 221 MPa

Resposta

σmax = 221 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 900 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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/2100² = 899955 N = 900 kN

Resposta

Pcr = 900 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 17,77 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·2500 = 5000 mm
KL/r = 5000/15 = 333,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/333,3² = 17,77 MPa

Resposta

σcr = 17,77 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,557 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 = √(12000/100) = 10,95 rad/s
fn = 10,95/(2π) = 1,743 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,743·√(1 − 0,45²) = 1,557 Hz

Resposta

fd = 1,557 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 16,67 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 = 1/100 + 1/20 → keq = 100·20/(100 + 20) = 16,67 kN/m

Resposta

keq = 16,67 kN/m

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