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​ = 450 mm720 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 600 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 120 mm a 720 rpm. A tração é de 1200 N no lado tracionado e de 600 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 120 mmn1 = 720 rpmT1 = 1200 NT2 = 600 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 18nr​ = ?Np​ = 30porta-satélites fixo

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 18 dentes e cada satélite tem 30 dentes. O porta-satélites é mantido fixo e a solar é acionada a 1800 rpm. Encontre a rotação nr da coroa (em módulo).

Ns = 18Np = 30ns = 1800 rpm
nr = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 750 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 = 750 N·md = 50 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 30 kW a 1800 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 30 kWN = 1800 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 50σy​ = −10MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 50 MPa e σᵧ = −10 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 85 MPa?

σx = 50 MPaσy = −10 MPaσ1 = 85 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 60σy​ = 110τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 110 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 40° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 60 MPaσy = 110 MPaτxy = 40 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmCobre0,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmLatão0,5 mØ 20 mmCobre1,5 mP = 65 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre o alongamento total δ.

P = 65 kNtrecho 1: Ø35 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1 md = 30 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 = 1 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 25 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 25 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 25 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 1 kN/mζ = 0,6m = 2 kg

Uma massa de 2 kg sobre uma mola com rigidez de 1 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,6. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 2 kgk = 1 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 10k3​ = 100m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada na mola k₃ = 100 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 100 kN/m e k₂ = 10 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,714 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 = 4,524 m/s

Potência

P = (1200 − 600)·4,524 = 2714 W = 2,714 kW

Resposta

P = 2,714 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nr = 415,4 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·30 = 78

Equação de Willis com o porta-satélites fixo

Com nc = 0 a solar aciona a coroa através dos satélites, que funcionam como engrenagens intermediárias.

nr = −ns·Ns/Nr = −1800·18/78 = −415,4 rpm
|nr| = 415,4 rpm

Resposta

nr = 415,4 rpm

A coroa gira no sentido oposto ao da solar.

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,8979 °

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) = 750·1000·500/(39000·613592) = 0,01567 rad
φ = 0,01567·180/π = 0,8979°

Resposta

φ = 0,8979°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 23,82 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 30000/188,5 = 159,2 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·159155/(π·60)) = 23,82 mm

Resposta

d = 23,82 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 57,66 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 = (50 + (−10))/2 = 20 MPa
R = σ1 − C = 85 − 20 = 65 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(65² − 30²) = 57,66 MPa

Resposta

τxy = 57,66 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 120,1 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 = 85 + −25·0,1736 + 40·0,9848 = 120,1 MPa

Resposta

σθ = 120,1 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 1219 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 70·1000/490,9 = 142,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 142,6/117000 = 0,001219 = 1219 µε

Resposta

ε = 1219 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,99 mm

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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 67,56 MPa
σ2 = 206,9 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 67,56·500/100000 = 0,3378 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 206,9·1500/117000 = 2,653 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,99 mm

Resposta

δ = 2,99 mm
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 = 2·1000 = 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: d = 50,14 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 = 2·25000 = 50000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·50000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 50,14 mm

Resposta

d = 50,14 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 279,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,847 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.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(1000/2) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,559·√(1 − 0,6²) = 2,847 Hz

Resposta

fd = 2,847 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 8,145 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 = 100 + 10 = 110 kN/m
keq = 110·100/(110 + 100) = 52,38 kN/m

Frequência natural

ωn = √(52381/20) = 51,18 rad/s
fn = 51,18/(2π) = 8,145 Hz

Resposta

fn = 8,145 Hz

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