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​ = 32N2​ = 60

Um motor de 2,2 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 32 dentes, que engrena com uma engrenagem de 60 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 2,2 kWn1 = 960 rpmN1 = 32N2 = 60η = 98%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 20B = 72C = 12D = 15

Um motor de 3 kW a 1450 rpm aciona a engrenagem A (20 dentes), que engrena com a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (12 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (15 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 98%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 3 kWnin = 1450 rpmA = 20B = 72C = 12D = 15ηmesh = 98%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
T = 1000 N·md = 30 mmL = 0,8 mφ = ?

Um eixo maciço de latão 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 = 1000 N·md = 30 mmL = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 30 kW a 1800 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 30 kWN = 1800 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = 20τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

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

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

σx = 40 MPaσy = −40 MPaτxy = −20 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
100 kNØ25120 GPaØ80/50500 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 120 GPa). Ambos têm 500 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 100 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 100 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmAço1 mØ 12 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: Ø25 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1,5 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m25 × 40 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2 md = 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx12 mm5 ciclos6,4 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 12 mm é seguido, 5 ciclos depois, por um pico de 6,4 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 12 mmx5 = 6,4 mmn = 5
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 25k3​ = 60m = 20 kg

Uma massa de 20 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 = 20 kN/m e k₂ = 25 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 = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 40,21 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 = 2200/100,5 = 21,88 N·m

Torque de saída

T2 = 21,88·60/32·0,98 = 40,21 N·m

Resposta

T2 = 40,21 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 85,39 N·m

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.

Velocidade de saída

nout = 1450·(20/72)·(12/15) = 322,2 rpm
ωout = 2π·322,2/60 = 33,74 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 3000·0,98² = 2881 W
Tout = Pout/ωout = 2881/33,74 = 85,39 N·m

Resposta

Tout = 85,39 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 14,78 °

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) = 1000·1000·800/(39000·79522) = 0,258 rad
φ = 0,258·180/π = 14,78°

Resposta

φ = 14,78°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 21,64 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 = 30000/188,5 = 159,2 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·159155/(π·80)) = 21,64 mm

Resposta

d = 21,64 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 76,16 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 − 20)/2)² + 30²) = 76,16 MPa

Resposta

τmax = 76,16 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −12,75 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 = 0 + 40·0,1736 + −20·0,9848 = −12,75 MPa

Resposta

σθ = −12,75 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,1074 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(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·3063 = 4,657 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 100000·500/4,657 × 10⁸ = 0,1074 mm

Resposta

δ = 0,1074 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 6,12 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 163 MPa
σ2 = 707,4 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 163·1000/200000 = 0,8149 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 707,4·1500/200000 = 5,305 mm
δ = δ1 + δ2 = 6,12 mm

Resposta

δ = 6,12 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 4,112 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·2500 = 5000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·52083/5000² = 4112 N = 4,112 kN

Resposta

Pcr = 4,112 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 77,11 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·2000 = 2000 mm
KL/r = 2000/12,5 = 160

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/160² = 77,11 MPa

Resposta

σcr = 77,11 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,02001

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/5)·ln(12/6,4) = 0,1257

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1257/√(39,48 + 0,01581) = 0,02001

Resposta

ζ = 0,02001
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,707 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 = 20 + 25 = 45 kN/m
keq = 45·60/(45 + 60) = 25,71 kN/m

Frequência natural

ωn = √(25714/20) = 35,86 rad/s
fn = 35,86/(2π) = 5,707 Hz

Resposta

fn = 5,707 Hz

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