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​ = 24, m = 2,5 mm

Um motor de 1,1 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 24 dentes e módulo de 2,5 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 1,1 kWn = 2900 rpmN1 = 24m = 2,5 mm
Ft = N
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 16C = 25D = 45

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (16 dentes). A engrenagem C (25 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 = 15B = 16C = 25D = 45
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 250 N·md = 40 mmL = 1,2 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 = 250 N·md = 40 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 25 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 200 N·mABC2 m0,8 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 25 mm está fixo em A. Um torque de 500 N·m atua em B, a 2 m de A, e um torque de 200 N·m no sentido oposto atua na extremidade livre C, 0,8 m adiante. Encontre o módulo do ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

d = 25 mmTB = 500 N·mTC = 200 N·mAB = 2 mBC = 0,8 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 60σy​ = 0τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 0 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 60 MPaσy = 0 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 40σy​ = −80τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 40 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido horário a partir do eixo x.

σx = 40 MPaσy = −80 MPaτxy = −20 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 10 mmAlumínio0,5 mP = 25 kN

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

P = 25 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmAço2 mØ 20 mmAlumínio2 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: Ø35 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 2 m, alumínio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 md = 40 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)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1 md = 60 mmseção transversal

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

L = 1 mE = 70 GPa (alumínio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 8 kN/mc = 40 N·s/mm = 2 kg

Uma massa de 2 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 8 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 40 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 2 kgk = 8 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 10m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 25 kN/m e k₂ = 10 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 120,7 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Torque no pinhão

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 2,5·24 = 60 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·3,622/0,06 = 120,7 N

Resposta

Ft = 120,7 N
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 1563 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 = 3000·15/16 = 2813 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 2813·25/45 = 1563 rpm

Resposta

nout = 1563 rpm

relação total = 1,92 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,63 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1200/(26000·251327) = 0,04591 rad
φ = 0,04591·180/π = 2,63°

Resposta

φ = 2,63°
4.Torção de eixos

Resposta: φC = 16,86 °

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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC − TB = 200 − 500 = −300 N·m

Torção de cada trecho

J = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = −300000·2000/(39000·38350) = −0,4012 rad
φBC = 200000·800/(39000·38350) = 0,107 rad

Torção da extremidade C

φC = −0,4012 + 0,107 = −0,2942 rad → |φC| = 16,86°

Resposta

φC = 16,86°
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 50 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 = √(((60 − 0)/2)² + 40²) = 50 MPa

Resposta

τmax = 50 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 27,32 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 = −20 + 60·0,5 + −20·−0,866 = 27,32 MPa

Resposta

σθ = 27,32 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,274 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 25·1000/78,54 = 318,3 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 318,3/70000 = 0,004547 = 4547 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,004547·500 mm = 2,274 mm

Resposta

δ = 2,274 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 382 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 124,7 MPa
σ2 = 382 MPa

Maior tensão

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

σmax = 382 MPa

Resposta

σmax = 382 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 55,56 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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/1250² = 55563 N = 55,56 kN

Resposta

Pcr = 55,56 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 38,86 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/15 = 133,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/133,3² = 38,86 MPa

Resposta

σcr = 38,86 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1581

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·√(8000·2) = 253 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 40/253 = 0,1581

Resposta

ζ = 0,1581

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 35 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 25 + 10 = 35 kN/m

Resposta

keq = 35 kN/m

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