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​ = 12N2​ = 40

Um motor de 3 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 12 dentes, que engrena com uma engrenagem de 40 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 3 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 40η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 600 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 80 mm a 1440 rpm a uma polia de 200 mm; os centros estão a 600 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 2000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmd2 = 200 mmC = 600 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
d = ?T = 500 N·mL = 3 m

Um eixo maciço de alumínio com 3 m de comprimento suporta um torque de 500 N·m. O ângulo de torção entre suas extremidades não pode passar de 1°. Encontre o menor diâmetro d que atende a esse limite.

T = 500 N·mL = 3 mG = 26 GPaφallow = 1°
d = mm
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?50 kW, 1000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 50 kW a 1000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,7 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 50 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 50σy​ = 120τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 50 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 50 MPaσy = 120 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = 0τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −10 MPa, σᵧ = 0 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −10 MPaσy = 0 MPaτxy = 30 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmAlumínio2 mP = 120 kN

Encontre o alongamento δ da barra de alumínio sob a carga axial.

P = 120 kNd = 20 mmL = 2 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão0,5 mØ 16 mmCobre2 mP = 80 kN

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

P = 80 kNtrecho 1: Ø25 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 2 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 md = 60 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 = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 110 kNL = 5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 110 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 110 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 2 kN/mc = 170 N·s/mm = 10 kg

Uma massa de 10 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 2 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 170 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 10 kgk = 2 kN/mc = 170 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 15m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 30 kN/m e k₂ = 15 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 61,12 N·m

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.

Torque do motor

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/157,1 = 19,1 N·m

Torque de saída

T2 = 19,1·40/12·0,96 = 61,12 N·m

Resposta

T2 = 61,12 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 7,072 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.

Ângulo de abraçamento

θ = 2,941 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,8824 = 2,417, T₂ = 2000/2,417 = 827,6 N

Potência

P = (2000 − 827,6)·6,032 = 7,072 kW

Resposta

P = 7,072 kW
3.Torção de eixos

Resposta: d = 76,17 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.

Momento polar necessário

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 3 m = 3000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = 1·π/180 = 0,01745 rad
J = TL/(Gφ) = 500000·3000/(26000·0,01745) = 3,306 × 10⁶ mm⁴

Diâmetro

d = (32J/π)1/4 = 76,17 mm

Resposta

d = 76,17 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

4.Torção de eixos

Resposta: do = 37,64 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 = 50000/104,7 = 477,5 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 477,5 N·m = 477465 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·477465/(π·60·0,7599)) = 37,64 mm
di = 0,7·37,64 = 26,35 mm

Resposta

do = 37,64 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 34,35 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

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 = √(((50 − 120)/2)² + 10²) = 36,4 MPa

Resposta

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

Resposta: σθ = 18,48 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 = −5 + −5·0,5 + 30·0,866 = 18,48 MPa

Resposta

σθ = 18,48 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 10,91 mm

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 = 120·1000/314,2 = 382 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 382/70000 = 0,005457 = 5457 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,005457·2000 mm = 10,91 mm

Resposta

δ = 10,91 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 397,9 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 = 163 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Maior tensão

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

σmax = 397,9 MPa

Resposta

σmax = 397,9 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 12,56 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·5000 = 10000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/10000² = 12558 N = 12,56 kN

Resposta

Pcr = 12,56 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 96,06 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 = 3·110000 = 330000 N
KL = 1·5000 = 5000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·330000·5000²/(π³·200000))^(1/4) = 96,06 mm

Resposta

d = 96,06 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 208,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,601

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·√(2000·10) = 282,8 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 170/282,8 = 0,601

Resposta

ζ = 0,601

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 45 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 = 30 + 15 = 45 kN/m

Resposta

keq = 45 kN/m

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