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​ = 36N2​ = 72

Um motor de 1,1 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 36 dentes, que engrena com uma engrenagem de 72 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 1,1 kWn1 = 1500 rpmN1 = 36N2 = 72η = 97%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 48B = 60C = 36D = 40

Um motor de 11 kW a 1440 rpm aciona a engrenagem A (48 dentes), que engrena com a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (36 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (40 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 48B = 60C = 36D = 40ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
d = 15 mmT = 30 N·m200 mmφ = 1,77°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 15 mm é torcido por um torque de 30 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 200 mm giram 1,77° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 30 N·md = 15 mmL = 200 mmφ = 1,77°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?5 kW, 1800 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 5 kW a 1800 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,75 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 5 kWN = 1800 rpmdi/do = 0,75τallow = 40 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 60σy​ = 20τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 60 MPaσy = 20 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 160σy​ = 40τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 25° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 160 MPaσy = 40 MPaτxy = −30 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12600 mm300 mmØ25Ø30δ = 0,3 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de cobre (diâmetro 30 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,3 mm no total.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø30 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
50 kN12500 mm500 mmØ30Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 50 mm, comprimento 500 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 50 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø50 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 md = 40 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 = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 80 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 = 3 mE = 70 GPa (alumínio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 15 kN/mζ = 0,45m = 100 kg

Uma massa de 100 kg sobre uma mola com rigidez de 15 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 100 kgk = 15 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 15m = 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 = 15 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 7,003 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/157,1 = 7,003 N·m

Resposta

T1 = 7,003 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 95,33 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.

Velocidade de saída

nout = 1440·(48/60)·(36/40) = 1037 rpm
ωout = 2π·1037/60 = 108,6 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 11000·0,97² = 10350 W
Tout = Pout/ωout = 10350/108,6 = 95,33 N·m

Resposta

Tout = 95,33 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: G = 39,08 GPa

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 e ângulo

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 1,77·π/180 = 0,03089 rad

Módulo de cisalhamento

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·200/(4970·0,03089) = 39078 MPa
G = 39,08 GPa

Resposta

G = 39,08 GPa

Compare: aço ≈ 80 GPa, latão ≈ 39 GPa, alumínio ≈ 26 GPa.

4.Torção de eixos

Resposta: do = 17,03 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 5000/188,5 = 26,53 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 26,53 N·m = 26526 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·26526/(π·40·0,6836)) = 17,03 mm
di = 0,75·17,03 = 12,77 mm

Resposta

do = 17,03 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 15 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −31,72 °

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·−40, 60 − 20) = −63,43°

Ângulo no elemento

θp = −31,72°

Resposta

θp = −31,72°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 115,6 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 = 100 + 60·0,6428 + −30·0,766 = 115,6 MPa

Resposta

σθ = 115,6 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 31,09 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 = 490,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·490,9) = 6,112 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·706,9) = 3,537 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,3/9,648 × 10⁻⁶ = 31093 N = 31,09 kN

Resposta

P = 31,09 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 15,92 MPa

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.

Rigidezes

k₁ = 200000·706,9/500 = 282743 N/mm
k₂ = 120000·1963/500 = 471239 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 50000·471239/753982 = 31250 N

Tensão

σ2 = 31250/1963 = 15,92 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 15,92 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 78,75 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 = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/1050² = 78746 N = 78,75 kN

Resposta

Pcr = 78,75 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 7,676 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/20 = 300

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/300² = 7,676 MPa

Resposta

σcr = 7,676 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,741 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 = √(15000/100) = 12,25 rad/s
fn = 12,25/(2π) = 1,949 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,949·√(1 − 0,45²) = 1,741 Hz

Resposta

fd = 1,741 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 40 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 + 15 = 40 kN/m

Resposta

keq = 40 kN/m

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