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 2 mm e redução de 1,5 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?

a = 45 mmm = 2 mmi = 1,5
N1 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 72C = 16D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (16 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 16B = 72C = 16D = 50
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 60 mmd2​ = 25 mmT = 500 N·mABC2 m3 m

Um eixo maciço escalonado de alumínio está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 60 mm e comprimento 2 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 3 m. Um torque de 500 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 500 N·md1 = 60 mm, L1 = 2 md2 = 25 mm, L2 = 3 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
d = 60 mmTB​ = 2000 N·mTC​ = 400 N·mABC1 m2,5 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 60 mm está fixo em A. Um torque de 2000 N·m atua em B, a 1 m de A, e um torque de 400 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 2,5 m adiante. Encontre o módulo do ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

d = 60 mmTB = 2000 N·mTC = 400 N·mAB = 1 mBC = 2,5 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 80σy​ = 120τxy​ = 30MPa

Um ponto tem σₓ = 80 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Encontre o ângulo θs, entre −90° e 90°, do eixo x até a normal do plano em que a tensão de cisalhamento tem seu valor máximo positivo +R (cisalhamento positivo no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 80 MPaσy = 120 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície superior do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 40 mm suporta um momento fletor de 300 N·m junto com um torque de 2000 N·m. Na superfície superior, onde a tensão de flexão é de tração e máxima, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 40 mmM = 300 N·mT = 2000 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12300 mm400 mmØ20Ø50δ = 0,5 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de latão (diâmetro 50 mm, comprimento 400 mm, E = 100 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,5 mm no total.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø50 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø3070 GPaØ120/50600 mm

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 160 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 60 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 md = 30 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 30 mmseção transversal

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

L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm3 ciclos4,7 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 4,7 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx3 = 4,7 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 60k3​ = 10m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada na mola k₃ = 10 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 80 kN/m e k₂ = 60 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N1 = 18

Geometria de engrenagens: o módulo m define o tamanho do dente. Uma engrenagem com N dentes tem diâmetro primitivo d = m·N, duas engrenagens acopladas têm o mesmo módulo, e a distância entre centros é a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. A velocidade tangencial no diâmetro primitivo é v = π·d·n/60, e a força tangencial no dente vem do torque: Ft = 2T/d.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·45/2 = 45

Divida pela relação

N1 = 45/(1 + 1,5) = 18

Resposta

N1 = 18
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 213,3 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 = 3000·16/72 = 666,7 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 666,7·16/50 = 213,3 rpm

Resposta

nout = 213,3 rpm

relação total = 14,06 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 163 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.

Tensão em cada trecho

T = 500 N·m = 500000 N·mm
τAB = 16·500000/(π·60³) = 11,79 MPa
τBC = 16·500000/(π·25³) = 163 MPa

Resposta

τmax = 163 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: φC = 3,926 °

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 = 400 N·m
TAB = TC + TB = 400 + 2000 = 2400 N·m

Torção de cada trecho

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 2,4 × 10⁶·1000/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,04837 rad
φBC = 400000·2500/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,02015 rad

Torção da extremidade C

φC = 0,04837 + 0,02015 = 0,06852 rad → |φC| = 3,926°

Resposta

φC = 3,926°
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θs = 16,85 °

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.

σxyCτmax​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr o ponto do topo (+R) está a 90° do ponto principal σ₁; no elemento isso corresponde a 45°.

cos 2θs = 30/36,06 = 0,8321, sin 2θs = −(−20)/36,06 = 0,5547
2θs = atan2(20, 30) = 33,69°

Ângulo no elemento

θs = 16,85°
verificação: θs − θp = 16,85 − 61,85 = −45°

Resposta

θs = 16,85°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 160,9 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.

Tensões na superfície

σ = 32M/(πd³) = 32·300000/(π·40³) = 47,75 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·2000000/(π·40³) = 159,2 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 23,87 MPa
R = √(23,87² + 159,2²) = 160,9 MPa

Resposta

τmax = 160,9 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 73,4 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 = 314,2 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·314,2) = 4,775 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·1963) = 2,037 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,5/6,812 × 10⁻⁶ = 73402 N = 73,4 kN

Resposta

P = 73,4 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 636,5 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·9346 = 7,956 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0008, 0,0008571) = 0,0008 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,0008·7,956 × 10⁸ = 636487 N = 636,5 kN

Resposta

Pmax = 636,5 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 19,62 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2000² = 19621 N = 19,62 kN

Resposta

Pcr = 19,62 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 4,957 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/7,5 = 373,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/373,3² = 4,957 MPa

Resposta

σcr = 4,957 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,04002

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 = (1/3)·ln(10/4,7) = 0,2517

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2517/√(39,48 + 0,06334) = 0,04002

Resposta

ζ = 0,04002
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,075 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

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 80 + 60 = 140 kN/m
keq = 140·10/(140 + 10) = 9,333 kN/m

Frequência natural

ωn = √(9333/25) = 19,32 rad/s
fn = 19,32/(2π) = 3,075 Hz

Resposta

fn = 3,075 Hz

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