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​ = 18N2​ = 32

Um motor de 1,5 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 18 dentes, que engrena com uma engrenagem de 32 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 1,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 18N2 = 32η = 97%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 120 mm a 1450 rpm a uma polia de 500 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1500 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 120 mmn1 = 1450 rpmd2 = 500 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 1500 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 400 N·md = 40 mmL = 1,5 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 = 400 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 50 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 500 N·mABC2,5 m1 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 50 mm está fixo em A. Um torque de 1500 N·m atua em B, a 2,5 m de A, e um torque de 500 N·m no sentido oposto atua na extremidade livre C, 1 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 50 mmTB = 1500 N·mTC = 500 N·mAB = 2,5 mBC = 1 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 40σy​ = −60τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 40 MPa, σᵧ = −60 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 = 40 MPaσy = −60 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 40 mm suporta uma força axial de compressão de 130 kN junto com um torque de 1500 N·m. Na superfície do eixo, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 40 mmF = −130 kNT = 1500 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmLatão1 mP = 105 kN

Encontre a deformação axial ε na barra de latão, em microdeformação (µε = 10⁻⁶).

P = 105 kNd = 16 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAço0,5 mØ 12 mmAço2 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m40 × 60 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 25 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx25 mm3 ciclos11,8 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 25 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 11,8 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 25 mmx3 = 11,8 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 100m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 15 kN/m e a inferior k₂ = 100 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 15 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 9,947 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/150,8 = 9,947 N·m

Resposta

T1 = 9,947 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,938 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.

Ângulo de abraçamento

θ = 2,362 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7086 = 2,031, T₂ = 1500/2,031 = 738,5 N

Potência

P = (1500 − 738,5)·9,111 = 6,938 kW

Resposta

P = 6,938 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 3,507 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1500/(39000·251327) = 0,06121 rad
φ = 0,06121·180/π = 3,507°

Resposta

φ = 3,507°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 40,74 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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 500 N·m
TAB = TC − TB = 500 − 1500 = −1000 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 1000 N·m
τmax = 16·1 × 10⁶/(π·50³) = 40,74 MPa

Resposta

τmax = 40,74 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 15,48 °

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, 40 − −60) = 30,96°

Ângulo no elemento

θp = 15,48°

Resposta

θp = 15,48°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 78,37 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 = −130000/(π·40²/4) = −130000/1257 = −103,5 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·40³) = 119,4 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −51,73 MPa
R = √((−51,73)² + 119,4²) = 130,1 MPa
σ1 = C + R = 78,37 MPa
σ2 = C − R = −181,8 MPa

Resposta

σ1 = 78,37 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 5222 µε

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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 105·1000/201,1 = 522,2 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 522,2/100000 = 0,005222 = 5222 µε

Resposta

ε = 5222 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 397,9 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Maior tensão

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

σmax = 397,9 MPa

Resposta

σmax = 397,9 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 24,56 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·320000/3000² = 24564 N = 24,56 kN

Resposta

Pcr = 24,56 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 24,48 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 = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/6,25 = 168

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/168² = 24,48 MPa

Resposta

σcr = 24,48 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,0398

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 = (1/3)·ln(25/11,8) = 0,2503

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2503/√(39,48 + 0,06263) = 0,0398

Resposta

ζ = 0,0398
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 13,04 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/15 + 1/100 → keq = 15·100/(15 + 100) = 13,04 kN/m

Resposta

keq = 13,04 kN/m

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