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 150 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 2 mm e redução de 5 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?

a = 150 mmm = 2 mmi = 5
N1 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 72C = 20D = 45

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 1440 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (45 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1440 rpmA = 15B = 72C = 20D = 45
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
do​ = ?T = 200 N·m

Um eixo vazado deve suportar um torque de 200 N·m. Seu diâmetro interno deve ser 0,6 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

T = 200 N·mdi/do = 0,6τallow = 60 MPa
do = mm
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 10 kW a 3000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 10 kWN = 3000 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −40σy​ = −10τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −40 MPa, σᵧ = −10 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = −40 MPaσy = −10 MPaτxy = −30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 90σy​ = −70τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 90 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido horário a partir do eixo x.

σx = 90 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
100 kNØ25110 GPaØ120/60400 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 110 GPa). Ambos têm 400 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 100 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 100 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmAço0,5 mØ 16 mmAço0,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNtrecho 1: Ø25 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 50 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 = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 135 kNL = 4 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 135 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 135 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 50 kN/mζ = 0,7m = 200 kg

Uma massa de 200 kg sobre uma mola com rigidez de 50 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,7. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 200 kgk = 50 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 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 = 60 kN/m e a inferior k₂ = 20 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 25 kgk1 = 60 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N1 = 25

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 = 2·150/2 = 150

Divida pela relação

N1 = 150/(1 + 5) = 25

Resposta

N1 = 25
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 133,3 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 = 1440·15/72 = 300 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 300·20/45 = 133,3 rpm

Resposta

nout = 133,3 rpm

relação total = 10,8 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: do = 26,92 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 = 200 N·m = 200000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·200000/(π·60·0,8704)) = 26,92 mm
di = 0,6·26,92 = 16,15 mm

Resposta

do = 26,92 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 25,7 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

4.Torção de eixos

Resposta: d = 12,93 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 a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·31831/(π·75)) = 12,93 mm

Resposta

d = 12,93 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −58,28 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr, o ponto x fica a um ângulo 2θp do eixo σ; o quadrante decorre dos sinais de σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−30, −40 − −10) = −116,6°

Ângulo no elemento

θp = −58,28°

Resposta

θp = −58,28°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 24,02 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 = 10 + 80·0,5 + 30·−0,866 = 24,02 MPa

Resposta

σθ = 24,02 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,03879 mm

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 − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·8482 = 1,031 × 10⁹ N

Encurtamento

δ = 100000·400/1,031 × 10⁹ = 0,03879 mm

Resposta

δ = 0,03879 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 447,6 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 183,3 MPa
σ2 = 447,6 MPa

Maior tensão

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

σmax = 447,6 MPa

Resposta

σmax = 447,6 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 16,82 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/6000² = 16822 N = 16,82 kN

Resposta

Pcr = 16,82 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 57,78 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 = 2·135000 = 270000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 57,78 mm

Resposta

d = 57,78 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 138,5, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,797 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 = √(50000/200) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,7²) = 1,797 Hz

Resposta

fd = 1,797 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 15 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 = 1/60 + 1/20 → keq = 60·20/(60 + 20) = 15 kN/m

Resposta

keq = 15 kN/m

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