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
Nw​ = 72z = 1, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 1 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 72 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 1Nw = 72n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 60C = 20D = 32

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (32 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 2900 rpmA = 15B = 60C = 20D = 32
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 100 N·md = 30 mmL = 1 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 100 N·md = 30 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?20 kW, 3000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 20 kW a 3000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,8 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 20 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,8τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 110σy​ = −20τxy​ = −20MPa

Um ponto tem σₓ = 110 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). O elemento é girado 30° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 110 MPaσy = −20 MPaτxy = −20 MPaθ = 30°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 70σy​ = 90τxy​ = −60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 70 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = −60 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 = 70 MPaσy = 90 MPaτxy = −60 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmCobre1 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 12 mmL = 1 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão0,5 mØ 12 mmAço0,5 mP = 120 kN

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

P = 120 kNtrecho 1: Ø25 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m25 × 40 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx30 mm2 ciclos14,1 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 30 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 14,1 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 30 mmx2 = 14,1 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 100k3​ = 20m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada na mola k₃ = 20 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 12 kN/m e k₂ = 100 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 = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 20,14 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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 1450·1/72 = 20,14 rpm

Resposta

nw = 20,14 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 453,1 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 = 2900·15/60 = 725 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 725·20/32 = 453,1 rpm

Resposta

nout = 453,1 rpm

relação total = 6,4 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,771 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1000/(26000·79522) = 0,04837 rad
φ = 0,04837·180/π = 2,771°

Resposta

φ = 2,771°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 20,92 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 20000/314,2 = 63,66 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 63,66 N·m = 63662 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·63662/(π·60·0,5904)) = 20,92 mm
di = 0,8·20,92 = 16,73 mm

Resposta

do = 20,92 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 17,55 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 29,82 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 para a face y′

σy′ = 45 − 65·0,5 − (−20)·0,866 = 29,82 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 60,18 MPa, σx′ + σy′ = 90 = σx + σy

Resposta

σy′ = 29,82 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 23,04 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 = 80 + −10·0,5 + −60·0,866 = 23,04 MPa

Resposta

σθ = 23,04 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,267 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 cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 265,3/117000 = 0,002267 = 2267 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,002267·1000 mm = 2,267 mm

Resposta

δ = 2,267 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 1061 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 244,5 MPa
σ2 = 1061 MPa

Maior tensão

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

σmax = 1061 MPa

Resposta

σmax = 1061 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 52,45 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/1400² = 52453 N = 52,45 kN

Resposta

Pcr = 52,45 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 62,66 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/10 = 105

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/105² = 62,66 MPa

Resposta

σcr = 62,66 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05997

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 = (1/2)·ln(30/14,1) = 0,3775

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3775/√(39,48 + 0,1425) = 0,05997

Resposta

ζ = 0,05997
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,147 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 = 12 + 100 = 112 kN/m
keq = 112·20/(112 + 20) = 16,97 kN/m

Frequência natural

ωn = √(16970/25) = 26,05 rad/s
fn = 26,05/(2π) = 4,147 Hz

Resposta

fn = 4,147 Hz

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