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​ = 24, m = 2 mm

Um motor de 1,1 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 24 dentes e módulo de 2 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 1,1 kWn = 1450 rpmN1 = 24m = 2 mm
Ft = N
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 24C = 12D = 25

Um motor de 11 kW a 1450 rpm aciona a engrenagem A (18 dentes), que engrena com a engrenagem B (24 dentes). A engrenagem C (12 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 11 kWnin = 1450 rpmA = 18B = 24C = 12D = 25ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
d = 20 mmT = 30 N·m200 mmφ = 0,56°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 20 mm é torcido por um torque de 30 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 200 mm giram 0,56° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 30 N·md = 20 mmL = 200 mmφ = 0,56°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 35 mm

Um eixo vazado transmite 100 kW a 3000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 100 kWN = 3000 rpmdo = 50 mmdi = 35 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 20σy​ = 90τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 20 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 20 MPaσy = 90 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −50σy​ = −80τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −50 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 35° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −50 MPaσy = −80 MPaτxy = 10 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmAlumínio3 mP = 60 kN

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

P = 60 kNd = 16 mmL = 3 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø4070 GPaØ120/70400 mm

Uma haste de aço (diâmetro 40 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 120 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 80 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 70 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m50 × 60 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 = 2,5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm1 ciclo6,9 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 6,9 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx1 = 6,9 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 40m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 10 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 301,8 N

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.

Torque no pinhão

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 1100/151,8 = 7,244 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 2·24 = 48 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·7,244/0,048 = 301,8 N

Resposta

Ft = 301,8 N
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 189,3 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidade de saída

nout = 1450·(18/24)·(12/25) = 522 rpm
ωout = 2π·522/60 = 54,66 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 11000·0,97² = 10350 W
Tout = Pout/ωout = 10350/54,66 = 189,3 N·m

Resposta

Tout = 189,3 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: G = 39,08 GPa

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 e ângulo

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
φ = 0,56·π/180 = 0,009774 rad

Módulo de cisalhamento

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·200/(15708·0,009774) = 39081 MPa
G = 39,08 GPa

Resposta

G = 39,08 GPa

Compare: aço ≈ 80 GPa, latão ≈ 39 GPa, alumínio ≈ 26 GPa.

4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 17,07 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 100000/314,2 = 318,3 N·m

Momento polar de inércia

J = π(50⁴ − 35⁴)/32 = 466269 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 318310·25/466269 = 17,07 MPa

Resposta

τmax = 17,07 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 36,4 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((20 − 90)/2)² + 10²) = 36,4 MPa

Resposta

τmax = 36,4 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −50,47 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 = −65 + 15·0,342 + 10·0,9397 = −50,47 MPa

Resposta

σθ = −50,47 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 4263 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 60·1000/201,1 = 298,4 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 298,4/70000 = 0,004263 = 4263 µε

Resposta

ε = 4263 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 464,2 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·7461 = 7,736 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0006, 0,001143) = 0,0006 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,0006·7,736 × 10⁸ = 464170 N = 464,2 kN

Resposta

Pmax = 464,2 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 402,8 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·625000/1750² = 402841 N = 402,8 kN

Resposta

Pcr = 402,8 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 31,58 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/10 = 250

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/250² = 31,58 MPa

Resposta

σcr = 31,58 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05895

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 = (1/1)·ln(10/6,9) = 0,3711

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3711/√(39,48 + 0,1377) = 0,05895

Resposta

ζ = 0,05895
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,183 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 = 1/10 + 1/40 → keq = 10·40/(10 + 40) = 8 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8000/20) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Resposta

fn = 3,183 Hz

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