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​ = 15N2​ = 48

Um motor de 1,5 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 15 dentes, que engrena com uma engrenagem de 48 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 1,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 15N2 = 48η = 98%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 20B = 25C = 20D = 45

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (20 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (25 dentes). A engrenagem C (20 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 = 3000 rpmA = 20B = 25C = 20D = 45
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
Tdo​ = 75 mm, di​ = 53 mm

Um eixo vazado transmite 100 kW a 3000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 100 kWN = 3000 rpmdo = 75 mmdi = 53 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = 10τxy​ = −10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 160 MPaσy = 10 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 160σy​ = 120τxy​ = 60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 15° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 160 MPaσy = 120 MPaτxy = 60 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12300 mm300 mmØ40Ø50δ = 0,4 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de bronze (diâmetro 50 mm, comprimento 300 mm, E = 110 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,4 mm no total.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAço0,5 mØ 16 mmCobre1 mP = 30 kN

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

P = 30 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 m25 × 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2 md = 20 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 = 2 mE = 70 GPa (alumínio)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 100 kN/mc = 1900 N·s/mm = 25 kg

Uma massa de 25 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 100 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 1900 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 25 kgk = 100 kN/mc = 1900 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 40m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 50 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 46,79 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 = 1500/100,5 = 14,92 N·m

Torque de saída

T2 = 14,92·48/15·0,98 = 46,79 N·m

Resposta

T2 = 46,79 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 1067 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 = 3000·20/25 = 2400 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 2400·20/45 = 1067 rpm

Resposta

nout = 1067 rpm

relação total = 2,813 : 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: τmax = 5,119 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 100000/314,2 = 318,3 N·m

Momento polar de inércia

J = π(75⁴ − 53⁴)/32 = 2,332 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 318310·37,5/2,332 × 10⁶ = 5,119 MPa

Resposta

τmax = 5,119 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 75,66 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((160 − 10)/2)² + −10²) = 75,66 MPa

Resposta

τmax = 75,66 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 187,3 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 = 140 + 20·0,866 + 60·0,5 = 187,3 MPa

Resposta

σθ = 187,3 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 154,9 kN

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.

Áreas

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·1257) = 1,194 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1963) = 1,389 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,4/2,583 × 10⁻⁶ = 154880 N = 154,9 kN

Resposta

P = 154,9 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 1,381 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 42,44 MPa
σ2 = 149,2 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 42,44·500/200000 = 0,1061 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 149,2·1000/117000 = 1,275 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,381 mm

Resposta

δ = 1,381 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,672 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/3500² = 3672 N = 3,672 kN

Resposta

Pcr = 3,672 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 8,812 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·2000 = 1400 mm
KL/r = 1400/5 = 280

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/280² = 8,812 MPa

Resposta

σcr = 8,812 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,6008

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·√(100000·25) = 3162 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 1900/3162 = 0,6008

Resposta

ζ = 0,6008

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 22,22 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 = 1/50 + 1/40 → keq = 50·40/(50 + 40) = 22,22 kN/m

Resposta

keq = 22,22 kN/m

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