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​ = 120 mmd2​ = 300 mm1500 rpmn2​ = ?

Uma polia de 120 mm a 1500 rpm aciona uma polia de 300 mm por uma correia com 2 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1500 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 25B = 45C = 36D = 48

Um motor de 4 kW a 1450 rpm aciona a engrenagem A (25 dentes), que engrena com a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (36 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (48 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 4 kWnin = 1450 rpmA = 25B = 45C = 36D = 48ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
do​ = 40, di​ = 28 mmT = 500 N·mL = 3 m

Um eixo vazado de alumínio (diâmetro externo 40 mm, diâmetro interno 28 mm, comprimento 3 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 500 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 500 N·mdo = 40 mmdi = 28 mmL = 3 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 40 mm

Um eixo vazado transmite 30 kW a 750 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 30 kWN = 750 rpmdo = 50 mmdi = 40 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −60σy​ = −50τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −60 MPa, σᵧ = −50 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = −60 MPaσy = −50 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 60σy​ = −70τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido horário a partir do eixo x.

σx = 60 MPaσy = −70 MPaτxy = 30 MPaθ = -30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmLatão3 mP = 15 kN

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

P = 15 kNd = 16 mmL = 3 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAlumínio0,5 mØ 16 mmCobre0,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 m40 × 60 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 40 kNL = 5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 40 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 40 kNn = 3L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mc = 1100 N·s/mm = 200 kg

Uma massa de 200 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 150 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 1100 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 200 kgk = 150 kN/mc = 1100 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 5m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 10 kN/m e k₂ = 5 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 25 kgk1 = 10 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 588 rpm

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 sem escorregamento

1500·120/300 = 600 rpm

Com escorregamento

n2 = 600·0,98 = 588 rpm

Resposta

n2 = 588 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 59,49 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 = 1450·(25/45)·(36/48) = 604,2 rpm
ωout = 2π·604,2/60 = 63,27 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 4000·0,97² = 3764 W
Tout = Pout/ωout = 3764/63,27 = 59,49 N·m

Resposta

Tout = 59,49 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 17,31 °

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 − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Ângulo de torção

T = 500 N·m = 500000 N·mm
L = 3 m = 3000 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 500000·3000/(26000·190984) = 0,3021 rad
φ = 0,3021·180/π = 17,31°

Resposta

φ = 17,31°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 26,36 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Momento polar de inércia

J = π(50⁴ − 40⁴)/32 = 362265 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 381972·25/362265 = 26,36 MPa

Resposta

τmax = 26,36 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 52,02 °

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.

σxyCσ1​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(2·20, −60 − −50) = 104°

Ângulo no elemento

θp = 52,02°

Resposta

θp = 52,02°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 1,519 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 = −5 + 65·0,5 + 30·−0,866 = 1,519 MPa

Resposta

σθ = 1,519 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 746 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 = 15·1000/201,1 = 74,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 74,6/100000 = 0,000746 = 746 µε

Resposta

ε = 746 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,195 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 99,03 MPa
σ2 = 348,2 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 99,03·500/70000 = 0,7074 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 348,2·500/117000 = 1,488 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,195 mm

Resposta

δ = 2,195 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 51,56 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 = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/3500² = 51564 N = 51,56 kN

Resposta

Pcr = 51,56 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 137,2 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 = 3·40000 = 120000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 137,2 mm

Resposta

d = 137,2 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 291,6, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1004

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·√(150000·200) = 10954 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 1100/10954 = 0,1004

Resposta

ζ = 0,1004

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 15 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 = 10 + 5 = 15 kN/m

Resposta

keq = 15 kN/m

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