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​ = 24N2​ = 36

Um motor de 5,5 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 36 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 5,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 36η = 97%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 18C = 18D = 45

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (18 dentes). A engrenagem C (18 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 = 960 rpmA = 16B = 18C = 18D = 45
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 30 mmd2​ = 25 mmT = 200 N·mABC0,8 m2,5 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 30 mm e comprimento 0,8 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 2,5 m. Um torque de 200 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 200 N·md1 = 30 mm, L1 = 0,8 md2 = 25 mm, L2 = 2,5 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 20 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 500 N·mABC0,8 m1 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 20 mm está fixo em A. Um torque de 1000 N·m atua em B, a 0,8 m de A, e um torque de 500 N·m no sentido oposto atua na extremidade livre C, 1 m adiante. Encontre o módulo do ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

d = 20 mmTB = 1000 N·mTC = 500 N·mAB = 0,8 mBC = 1 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −70σy​ = 50τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −70 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = −70 MPaσy = 50 MPaτxy = −40 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = 120τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = −10 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). Encontre a tensão equivalente de von Mises σvM.

σx = −10 MPaσy = 120 MPaτxy = −40 MPa
σvM = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmAlumínio3 mP = 80 kN

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

P = 80 kNd = 20 mmL = 3 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAlumínio1,5 mØ 20 mmAço2 mP = 100 kN

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

P = 100 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1,5 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 md = 50 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 = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2,5 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 = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx20 mm5 ciclos4,1 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 20 mm é seguido, 5 ciclos depois, por um pico de 4,1 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 20 mmx5 = 4,1 mmn = 5
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 80m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 50 kN/m e k₂ = 80 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 79,6 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 = 5500/100,5 = 54,71 N·m

Torque de saída

T2 = 54,71·36/24·0,97 = 79,6 N·m

Resposta

T2 = 79,6 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 341,3 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 = 960·16/18 = 853,3 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 853,3·18/45 = 341,3 rpm

Resposta

nout = 341,3 rpm

relação total = 2,813 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φC = 22,11 °

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.

Momentos polares

J1 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 200000·800/(39000·79522) = 0,05159 rad
φBC = 200000·2500/(39000·38350) = 0,3343 rad

Torção total

φC = 0,05159 + 0,3343 = 0,3859 rad = 22,11°

Resposta

φC = 22,11°
4.Torção de eixos

Resposta: φC = 9,353 °

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 = 500 N·m
TAB = TC − TB = 500 − 1000 = −500 N·m

Torção de cada trecho

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = −500000·800/(39000·15708) = −0,6529 rad
φBC = 500000·1000/(39000·15708) = 0,8162 rad

Torção da extremidade C

φC = −0,6529 + 0,8162 = 0,1632 rad → |φC| = 9,353°

Resposta

φC = 9,353°
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 72,11 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 = √(((−70 − 50)/2)² + −40²) = 72,11 MPa

Resposta

τmax = 72,11 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σvM = 143,2 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. Critérios de escoamento: von Mises prevê escoamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atinge σY; Tresca quando a tensão de cisalhamento máxima absoluta atinge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 55 MPa, R = 76,32 MPa
σ1 = 131,3 MPa, σ2 = −21,32 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(131,3² − 131,3·(−21,32) + (−21,32)²) = 143,2 MPa

Resposta

σvM = 143,2 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 10,91 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 80·1000/314,2 = 254,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 254,6/70000 = 0,003638 = 3638 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,003638·3000 mm = 10,91 mm

Resposta

δ = 10,91 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 6,215 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 141,5 MPa
σ2 = 318,3 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 141,5·1500/70000 = 3,032 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 318,3·2000/200000 = 3,183 mm
δ = δ1 + δ2 = 6,215 mm

Resposta

δ = 6,215 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 151,4 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/2000² = 151398 N = 151,4 kN

Resposta

Pcr = 151,4 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 6,218 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 = 2·2500 = 5000 mm
KL/r = 5000/15 = 333,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/333,3² = 6,218 MPa

Resposta

σcr = 6,218 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05038

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(20/4,1) = 0,3169

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3169/√(39,48 + 0,1005) = 0,05038

Resposta

ζ = 0,05038
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 130 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 = 50 + 80 = 130 kN/m

Resposta

keq = 130 kN/m

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