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​ = 36z = 3, 960 rpm

Um parafuso sem-fim com 3 entrada(s) gira a 960 rpm e aciona uma coroa com 36 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 3Nw = 36n = 960 rpm
nw = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm960 rpmC = 1200 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 150 mm e uma polia de 450 mm cujos centros estão a 1200 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 150 mmd2 = 450 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 200 N·md = 20 mmL = 0,8 mφ = ?

Um eixo maciço de aço 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 = 200 N·md = 20 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 10 kW a 750 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 10 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −50σy​ = −50τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −50 MPa, σᵧ = −50 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 = −50 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 50 mm suporta uma força axial de tração de 70 kN junto com um torque de 500 N·m. Na superfície do eixo, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 50 mmF = 70 kNT = 500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
80 kNØ25100 GPaØ120/50800 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 100 GPa). Ambos têm 800 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 80 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 80 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmCobre1,5 mØ 20 mmAço1,5 mP = 80 kN

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

P = 80 kNtrecho 1: Ø35 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1,5 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m50 × 100 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 25 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 = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 5 kN/mζ = 0,35m = 50 kg

Uma massa de 50 kg sobre uma mola com rigidez de 5 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 50 kgk = 5 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 5k3​ = 60m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada na mola k₃ = 60 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 15 kN/m e k₂ = 5 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 = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 80 rpm

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 960·3/36 = 80 rpm

Resposta

nw = 80 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 165,6 °

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 da correia

asin(0,125) = 7,181°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°

Resposta

θ = 165,6°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 7,295 °

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·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 200·1000·800/(80000·15708) = 0,1273 rad
φ = 0,1273·180/π = 7,295°

Resposta

φ = 7,295°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 20,09 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 10000/78,54 = 127,3 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·127324/(π·80)) = 20,09 mm

Resposta

d = 20,09 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 45 °

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, −50 − −50) = 90°

Ângulo no elemento

θp = 45°

Resposta

θp = 45°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 44,89 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.

Tensões na superfície

σ = F/A = 70000/(π·50²/4) = 70000/1963 = 35,65 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·500000/(π·50³) = 20,37 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 17,83 MPa
R = √(17,83² + 20,37²) = 27,07 MPa
σ1 = C + R = 44,89 MPa
σ2 = C − R = −9,244 MPa

Resposta

σ1 = 44,89 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,06197 mm

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

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·9346 = 1,033 × 10⁹ N

Encurtamento

δ = 80000·800/1,033 × 10⁹ = 0,06197 mm

Resposta

δ = 0,06197 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,976 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 83,15 MPa
σ2 = 254,6 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 83,15·1500/117000 = 1,066 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 254,6·1500/200000 = 1,91 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,976 mm

Resposta

δ = 2,976 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 19,99 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 = 100·50³/12 = 1,042 × 10⁶ mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·1,042 × 10⁶/6000² = 19991 N = 19,99 kN

Resposta

Pcr = 19,99 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 19,28 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/6,25 = 320

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/320² = 19,28 MPa

Resposta

σcr = 19,28 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,491 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 = √(5000/50) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,35²) = 1,491 Hz

Resposta

fd = 1,491 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,082 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 = 15 + 5 = 20 kN/m
keq = 20·60/(20 + 60) = 15 kN/m

Frequência natural

ωn = √(15000/40) = 19,36 rad/s
fn = 19,36/(2π) = 3,082 Hz

Resposta

fn = 3,082 Hz

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