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
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm960 rpmT1​ = 800 NT2​ = 240 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 150 mm a 960 rpm. A tração é de 800 N no lado tracionado e de 240 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 150 mmn1 = 960 rpmT1 = 800 NT2 = 240 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 32C = 15D = 25

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (15 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 18B = 32C = 15D = 25
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 2000 N·mABC2,5 m0,5 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 60 mm e comprimento 2,5 m; o trecho BC tem diâmetro 50 mm e comprimento 0,5 m. Um torque de 2000 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 2000 N·md1 = 60 mm, L1 = 2,5 md2 = 50 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 30 mm

Um eixo vazado transmite 100 kW a 300 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 100 kWN = 300 rpmdo = 50 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 0σy​ = 30τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 0 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 0 MPaσy = 30 MPaτxy = −30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 90σy​ = 30τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 90 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 50° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 90 MPaσy = 30 MPaτxy = 20 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 10 mmLatão2,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 10 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmAço1 mØ 12 mmAço2 mP = 35 kN

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

P = 35 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 md = 30 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 2,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 10 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 10 kNn = 3L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 10 kN/mc = 150 N·s/mm = 25 kg

Uma massa de 25 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 10 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 150 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 25 kgk = 10 kN/mc = 150 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 100k3​ = 80m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada na mola k₃ = 80 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 40 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 = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 4,222 kW

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.

Velocidade da correia

v = 7,54 m/s

Potência

P = (800 − 240)·7,54 = 4222 W = 4,222 kW

Resposta

P = 4,222 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 489,4 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 = 1450·18/32 = 815,6 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 815,6·15/25 = 489,4 rpm

Resposta

nout = 489,4 rpm

relação total = 2,963 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 81,49 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.

Tensão em cada trecho

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
τAB = 16·2 × 10⁶/(π·60³) = 47,16 MPa
τBC = 16·2 × 10⁶/(π·50³) = 81,49 MPa

Resposta

τmax = 81,49 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 149 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 100000/31,42 = 3183 N·m

Momento polar de inércia

J = π(50⁴ − 30⁴)/32 = 534071 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 3,183 × 10⁶·25/534071 = 149 MPa

Resposta

τmax = 149 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 33,54 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 = √(((0 − 30)/2)² + −30²) = 33,54 MPa

Resposta

τmax = 33,54 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 74,49 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 = 60 + 30·−0,1736 + 20·0,9848 = 74,49 MPa

Resposta

σθ = 74,49 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 28,65 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 = 90·1000/78,54 = 1146 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 1146/100000 = 0,01146 = 11459 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,01146·2500 mm = 28,65 mm

Resposta

δ = 28,65 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 309,5 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 27,85 MPa
σ2 = 309,5 MPa

Maior tensão

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

σmax = 309,5 MPa

Resposta

σmax = 309,5 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 78,48 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/1000² = 78485 N = 78,48 kN

Resposta

Pcr = 78,48 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 48,49 mm

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.

Carga crítica necessária

Pcr = n·P = 3·10000 = 30000 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 48,49 mm

Resposta

d = 48,49 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 206,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,15

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·√(10000·25) = 1000 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 150/1000 = 0,15

Resposta

ζ = 0,15

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,591 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 = 40 + 100 = 140 kN/m
keq = 140·80/(140 + 80) = 50,91 kN/m

Frequência natural

ωn = √(50909/100) = 22,56 rad/s
fn = 22,56/(2π) = 3,591 Hz

Resposta

fn = 3,591 Hz

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