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​ = 15

Um motor de 2,2 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 12 dentes, que engrena com uma engrenagem de 15 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 2,2 kWn1 = 960 rpmN1 = 12N2 = 15η = 95%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 30B = 72C = 24D = 45

Um motor de 7,5 kW a 2900 rpm aciona a engrenagem A (30 dentes), que engrena com a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (24 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (45 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 7,5 kWnin = 2900 rpmA = 30B = 72C = 24D = 45ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 40 mmd2​ = 25 mmT = 400 N·mABC1,2 m2,5 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 40 mm e comprimento 1,2 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 2,5 m. Um torque de 400 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 400 N·md1 = 40 mm, L1 = 1,2 md2 = 25 mm, L2 = 2,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Um eixo vazado transmite 75 kW a 1450 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 75 kWN = 1450 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = 70τxy​ = 30MPa

Um ponto tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 70 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 = 160 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 130σy​ = 50τxy​ = 50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 130 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 60° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 130 MPaσy = 50 MPaτxy = 50 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmAço0,5 mP = 80 kN

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

P = 80 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
50 kN12300 mm500 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de alumínio (diâmetro 60 mm, comprimento 500 mm, E = 70 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 50 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: alumínio, Ø60 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m50 × 100 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 = 3 mE = 200 GPa (aço)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 30 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 15 kN/mc = 1100 N·s/mm = 80 kg

Uma massa de 80 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 15 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 1100 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 80 kgk = 15 kN/mc = 1100 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 80m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 5 kN/m e k₂ = 80 kN/m. A massa permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 25,99 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/100,5 = 21,88 N·m

Torque de saída

T2 = 21,88·15/12·0,95 = 25,99 N·m

Resposta

T2 = 25,99 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 100,3 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 = 2900·(30/72)·(24/45) = 644,4 rpm
ωout = 2π·644,4/60 = 67,49 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 7500·0,95² = 6769 W
Tout = Pout/ωout = 6769/67,49 = 100,3 N·m

Resposta

Tout = 100,3 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 130,4 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 = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
τBC = 16·400000/(π·25³) = 130,4 MPa

Resposta

τmax = 130,4 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 51,72 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 493929·20/190984 = 51,72 MPa

Resposta

τmax = 51,72 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θs = −28,15 °

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​

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 = 30/54,08 = 0,5547, sin 2θs = −45/54,08 = −0,8321
2θs = atan2(−45, 30) = −56,31°

Ângulo no elemento

θs = −28,15°
verificação: θs − θp = −28,15 − 16,85 = −45°

Resposta

θs = −28,15°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 113,3 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 = 90 + 40·−0,5 + 50·0,866 = 113,3 MPa

Resposta

σθ = 113,3 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,2829 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 80·1000/706,9 = 113,2 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 113,2/200000 = 0,0005659 = 565,9 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0005659·500 mm = 0,2829 mm

Resposta

δ = 0,2829 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 11,56 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 = 70000·2827/500 = 395841 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 50000·395841/605280 = 32699 N

Tensão

σ2 = 32699/2827 = 11,56 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 11,56 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 466,3 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

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 100·50³/12 = 1,042 × 10⁶ mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·1,042 × 10⁶/2100² = 466251 N = 466,3 kN

Resposta

Pcr = 466,3 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 6,218 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 = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/7,5 = 333,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/333,3² = 6,218 MPa

Resposta

σcr = 6,218 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,5021

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·√(15000·80) = 2191 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 1100/2191 = 0,5021

Resposta

ζ = 0,5021

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 10,38 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 5 + 80 = 85 kN/m

Frequência natural

ωn = √(85000/20) = 65,19 rad/s
fn = 65,19/(2π) = 10,38 Hz

Resposta

fn = 10,38 Hz

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