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
Nw​ = 45z = 2, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 2 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 45 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 2Nw = 45n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 40C = 16D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes) no eixo de entrada gira a 2880 rpm e aciona a engrenagem B (40 dentes). A engrenagem C (16 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 720 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 2880 rpmA = 15B = 40C = 16nout = 720 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
T = 250 N·md = 40 mmL = 1 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 250 N·md = 40 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 40 mmTB​ = 100 N·mTC​ = 250 N·mABC2 m0,8 m

Um eixo maciço de aço com diâmetro 40 mm está fixo em A. Um torque de 100 N·m atua em B, a 2 m de A, e um torque de 250 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 0,8 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 40 mmTB = 100 N·mTC = 250 N·mAB = 2 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 10σy​ = 20MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 10 MPa e σᵧ = 20 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 55 MPa?

σx = 10 MPaσy = 20 MPaσ1 = 55 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σy​ = 80τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 0 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 460 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = 0 MPaσy = 80 MPaτxy = 30 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmLatão1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 20 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
20 kN12300 mm300 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 60 mm, comprimento 300 mm, E = 110 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 20 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: bronze, Ø60 mm, 300 mm, E = 110 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1 md = 80 mmseção transversal

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

L = 1 mE = 70 GPa (alumínio)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 95 kNL = 2,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 95 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 95 kNn = 3L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 40 kN/mc = 390 N·s/mm = 15 kg

Uma massa de 15 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 40 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 390 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 15 kgk = 40 kN/mc = 390 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 15m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 20 kN/m e a inferior k₂ = 15 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 50 kgk1 = 20 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 64,44 rpm

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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 1450·2/45 = 64,44 rpm

Resposta

nw = 64,44 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 24

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.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 2880·15/40 = 1080 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 16·1080/720 = 24

Resposta

ND = 24
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,192 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1000/(26000·251327) = 0,03826 rad
φ = 0,03826·180/π = 2,192°

Resposta

φ = 2,192°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 27,85 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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 100 = 350 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 350 N·m
τmax = 16·350000/(π·40³) = 27,85 MPa

Resposta

τmax = 27,85 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 39,69 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 = (10 + 20)/2 = 15 MPa
R = σ1 − C = 55 − 15 = 40 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(40² − 5²) = 39,69 MPa

Resposta

τxy = 39,69 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 4,6

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. Critérios de escoamento: von Mises prevê escoamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atinge σY; Tresca quando a tensão de cisalhamento máxima absoluta atinge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 40 MPa, R = 50 MPa
σ1 = 90 MPa, σ2 = −10 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 100 MPa
n = 460/100 = 4,6

Resposta

n = 4,6

n > 1 significa que o ponto não escoa; Tresca é um pouco mais conservador que von Mises.

7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 2387 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 latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 238,7/100000 = 0,002387 = 2387 µε

Resposta

ε = 2387 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 5,885 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 = 110000·2827/300 = 1,037 × 10⁶ N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 20000·1,037 × 10⁶/1,246 × 10⁶ = 16639 N

Tensão

σ2 = 16639/2827 = 5,885 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 5,885 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 347,3 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 = 2·1000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/2000² = 347270 N = 347,3 kN

Resposta

Pcr = 347,3 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 46,3 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 = 3·95000 = 285000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·285000·1250²/(π³·200000))^(1/4) = 46,3 mm

Resposta

d = 46,3 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 108, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,2517

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·√(40000·15) = 1549 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 390/1549 = 0,2517

Resposta

ζ = 0,2517

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,084 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 = 1/20 + 1/15 → keq = 20·15/(20 + 15) = 8,571 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8571/50) = 13,09 rad/s
fn = 13,09/(2π) = 2,084 Hz

Resposta

fn = 2,084 Hz

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