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
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm1500 rpmT1​ = 800 NT2​ = 400 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 120 mm a 1500 rpm. A tração é de 800 N no lado tracionado e de 400 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 120 mmn1 = 1500 rpmT1 = 800 NT2 = 400 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm1440 rpmC = 800 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 120 mm e uma polia de 315 mm cujos centros estão a 800 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 120 mmd2 = 315 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 1000 N·md = 50 mmL = 0,5 mφ = ?

Um eixo maciço de latão está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 1000 N·md = 50 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 20 kW a 1000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 20 kWN = 1000 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 120σy​ = −60MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 120 MPa e σᵧ = −60 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 155 MPa?

σx = 120 MPaσy = −60 MPaσ1 = 155 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 140σy​ = −10τxy​ = 30MPa

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

σx = 140 MPaσy = −10 MPaτxy = 30 MPaθ = -30°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12400 mm300 mmØ25Ø40δ = 0,25 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de cobre (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,25 mm no total.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø40 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
30 kN12300 mm300 mmØ20Ø30σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 30 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 30 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø30 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 25 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 = 25 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 35 kNL = 5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 35 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 35 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 20 kN/mc = 320 N·s/mm = 8 kg

Uma massa de 8 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 20 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 320 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 8 kgk = 20 kN/mc = 320 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 50m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 25 kN/m e k₂ = 50 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 40 kgk1 = 25 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 3,77 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 = 9,425 m/s

Potência

P = (800 − 400)·9,425 = 3770 W = 3,77 kW

Resposta

P = 3,77 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 166 °

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 da correia

asin(0,1219) = 7°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·7 = 166°

Resposta

θ = 166°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,197 °

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 de inércia

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·500/(39000·613592) = 0,02089 rad
φ = 0,02089·180/π = 1,197°

Resposta

φ = 1,197°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 28,97 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 20000/104,7 = 191 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·190986/(π·40)) = 28,97 mm

Resposta

d = 28,97 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 86,75 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 = (120 + (−60))/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 155 − 30 = 125 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(125² − 90²) = 86,75 MPa

Resposta

τxy = 86,75 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 79,95 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 = −75·−0,866 + 30·0,5 = 79,95 MPa

Resposta

τθ = 79,95 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 41,23 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 = 490,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·490,9) = 4,074 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·1257) = 1,989 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/6,064 × 10⁻⁶ = 41228 N = 41,23 kN

Resposta

P = 41,23 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 24,38 MPa

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.

Rigidezes

k₁ = 200000·314,2/300 = 209440 N/mm
k₂ = 120000·706,9/300 = 282743 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 30000·282743/492183 = 17234 N

Tensão

σ2 = 17234/706,9 = 24,38 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 24,38 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 8,583 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2100² = 8583 N = 8,583 kN

Resposta

Pcr = 8,583 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 54,54 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 = 2·35000 = 70000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·70000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 54,54 mm

Resposta

d = 54,54 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 256,7, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,4

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(20000·8) = 800 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 320/800 = 0,4

Resposta

ζ = 0,4

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 75 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 25 + 50 = 75 kN/m

Resposta

keq = 75 kN/m

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