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​ = 400 mm720 rpmn2​ = ?

Uma polia de 200 mm a 720 rpm aciona uma polia de 400 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 720 rpmd1 = 200 mmd2 = 400 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 24B = 30C = 12D = 45

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (24 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (30 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (45 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 960 rpmA = 24B = 30C = 12D = 45
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 50 mmL = 1,5 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 = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 60 mm, di​ = 42 mm

Um eixo vazado transmite 50 kW a 1000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 50 kWN = 1000 rpmdo = 60 mmdi = 42 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 90σy​ = 40τxy​ = −10MPa

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

σx = 90 MPaσy = 40 MPaτxy = −10 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
25°D = 400 mm, t = 12 mm, p = 3 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 400 mm e espessura de parede de 12 mm contém gás a uma pressão manométrica de 3 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 25° do eixo do cilindro. Encontre o módulo da tensão de cisalhamento |τn| que atua ao longo da costura de solda.

D = 400 mmt = 12 mmp = 3 MPaα = 25°
|τn| = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmAlumínio0,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAço0,5 mØ 12 mmLatão1,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1,5 m, latão (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m25 × 60 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 50 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx20 mm1 ciclo10,6 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 20 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 10,6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 20 mmx1 = 10,6 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 25m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 60 kN/m e a inferior k₂ = 25 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 345,6 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

720·200/400 = 360 rpm

Com escorregamento

n2 = 360·0,96 = 345,6 rpm

Resposta

n2 = 345,6 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 204,8 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 = 960·24/30 = 768 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 768·12/45 = 204,8 rpm

Resposta

nout = 204,8 rpm

relação total = 4,688 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,694 °

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) = 750·1000·1500/(39000·613592) = 0,04701 rad
φ = 0,04701·180/π = 2,694°

Resposta

φ = 2,694°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 14,81 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 50000/104,7 = 477,5 N·m

Momento polar de inércia

J = π(60⁴ − 42⁴)/32 = 966855 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 477465·30/966855 = 14,81 MPa

Resposta

τmax = 14,81 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −10,9 °

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·−10, 90 − 40) = −21,8°

Ângulo no elemento

θp = −10,9°

Resposta

θp = −10,9°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: |τn| = 9,576 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 400/2 = 200 mm
σh = pr/t = 3·200/12 = 50 MPa
σa = pr/(2t) = 25 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

|τn| = (50 − 25)·sin 25°·cos 25° = 9,576 MPa

Resposta

|τn| = 9,576 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,6548 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 45·1000/490,9 = 91,67 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 91,67/70000 = 0,00131 = 1310 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,00131·500 mm = 0,6548 mm

Resposta

δ = 0,6548 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 663,1 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 106,1 MPa
σ2 = 663,1 MPa

Maior tensão

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

σmax = 663,1 MPa

Resposta

σmax = 663,1 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 34,54 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/1250² = 34544 N = 34,54 kN

Resposta

Pcr = 34,54 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 49,35 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/12,5 = 200

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Resposta

σcr = 49,35 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1005

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 = (1/1)·ln(20/10,6) = 0,6349

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6349/√(39,48 + 0,4031) = 0,1005

Resposta

ζ = 0,1005
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 17,65 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 = 1/60 + 1/25 → keq = 60·25/(60 + 25) = 17,65 kN/m

Resposta

keq = 17,65 kN/m

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