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​ = 200 mmd2​ = 450 mm1450 rpmn2​ = ?

Uma polia de 200 mm a 1450 rpm aciona uma polia de 450 mm por uma correia com 1,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1450 rpmd1 = 200 mmd2 = 450 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm960 rpmC = 800 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 160 mm a 960 rpm a uma polia de 500 mm; os centros estão a 800 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 = 160 mmn1 = 960 rpmd2 = 500 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
do​ = 80, di​ = 56 mmT = 1000 N·mL = 1 m

Um eixo vazado de latão (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 56 mm, comprimento 1 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 1000 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 1000 N·mdo = 80 mmdi = 56 mmL = 1 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = ?10 kW, 500 rpm

Um eixo maciço de aço transmite 10 kW a 500 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa e a torção não pode passar de 1° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 10 kWN = 500 rpmτallow = 75 MPaθallow = 1°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −40σy​ = 10τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −40 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = −40 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 20σy​ = 110τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 20 MPa, σᵧ = 110 MPa e τₓᵧ = −30 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 = 20 MPaσy = 110 MPaτxy = −30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAlumínio0,5 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 12 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12600 mm500 mmØ40Ø30σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø30 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m30 × 80 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 110 kNL = 2 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 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 110 kNn = 2,5L = 2 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 100 kN/mζ = 0,45m = 5 kg

Uma massa de 5 kg sobre uma mola com rigidez de 100 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 5 kgk = 100 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 10m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 100 kN/m e a inferior k₂ = 10 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 634,8 rpm

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 sem escorregamento

1450·200/450 = 644,4 rpm

Com escorregamento

n2 = 644,4·0,985 = 634,8 rpm

Resposta

n2 = 634,8 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 8,958 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 = 2,713 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,814 = 2,257, T₂ = 2000/2,257 = 886,2 N

Potência

P = (2000 − 886,2)·8,042 = 8,958 kW

Resposta

P = 8,958 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,4808 °

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(80⁴ − 56⁴)/32 = 3,056 × 10⁶ mm⁴

Ângulo de torção

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·1000/(39000·3,056 × 10⁶) = 0,008391 rad
φ = 0,008391·180/π = 0,4808°

Resposta

φ = 0,4808°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 34,36 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 10000/52,36 = 191 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 191 N·m = 190986 N·mm
dτ = ∛(16·190986/(π·75)) = 23,49 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·190986/(π·80000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 34,36 mm

Diâmetro determinante

Os dois limites devem ser atendidos, então o maior diâmetro governa.

d = max(23,49, 34,36) = 34,36 mm

Resposta

d = 34,36 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 64,9 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr, o ponto x fica a um ângulo 2θp do eixo σ; o quadrante decorre dos sinais de σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, −40 − 10) = 129,8°

Ângulo no elemento

θp = 64,9°

Resposta

θp = 64,9°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 27,64 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 = 65 + −45·0,1736 + −30·0,9848 = 27,64 MPa

Resposta

σθ = 27,64 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 1,895 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 30·1000/113,1 = 265,3 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 265,3/70000 = 0,003789 = 3789 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,003789·500 mm = 1,895 mm

Resposta

δ = 1,895 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 24,47 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 = 200000·1257/600 = 418879 N/mm
k₂ = 120000·706,9/500 = 169646 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·169646/588525 = 17295 N

Tensão

σ2 = 17295/706,9 = 24,47 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 24,47 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 355,3 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/1000² = 355306 N = 355,3 kN

Resposta

Pcr = 355,3 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 58,05 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 = 2,5·110000 = 275000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·275000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 58,05 mm

Resposta

d = 58,05 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 137,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 20,1 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 = √(100000/5) = 141,4 rad/s
fn = 141,4/(2π) = 22,51 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 22,51·√(1 − 0,45²) = 20,1 Hz

Resposta

fd = 20,1 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 9,091 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/100 + 1/10 → keq = 100·10/(100 + 10) = 9,091 kN/m

Resposta

keq = 9,091 kN/m

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