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​ = 20, m = 5 mm

Um motor de 1,1 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 20 dentes e módulo de 5 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 1,1 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 5 mm
Ft = N
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 60C = 30D = 80

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (30 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (80 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 16B = 60C = 30D = 80
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
do​ = 30, di​ = 15 mmT = 400 N·mL = 1,5 m

Um eixo vazado de alumínio (diâmetro externo 30 mm, diâmetro interno 15 mm, comprimento 1,5 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 400 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 400 N·mdo = 30 mmdi = 15 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 60 mm, di​ = 30 mm

Um eixo vazado transmite 100 kW a 1000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 100 kWN = 1000 rpmdo = 60 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 90σy​ = 120τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 90 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 90 MPaσy = 120 MPaτxy = 20 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 150σy​ = −30τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 150 MPa, σᵧ = −30 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 150 MPaσy = −30 MPaτxy = −50 MPaθ = 30°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
300 kNØ40120 GPaØ120/70500 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 40 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 120 GPa). Ambos têm 500 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 300 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 300 kNbarra: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 120 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmLatão1,5 mØ 12 mmCobre0,5 mP = 55 kN

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

P = 55 kNtrecho 1: Ø35 mm, 1,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m40 × 80 mmseção transversal

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

L = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 20 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 = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm1 ciclo7,8 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 7,8 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx1 = 7,8 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 10m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 30 kN/m e k₂ = 10 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 40 kgk1 = 30 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 145,9 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Torque no pinhão

ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 1100/150,8 = 7,295 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 5·20 = 100 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·7,295/0,1 = 145,9 N

Resposta

Ft = 145,9 N
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 300 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 = 3000·16/60 = 800 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 800·30/80 = 300 rpm

Resposta

nout = 300 rpm

relação total = 10 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 17,74 °

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 − 15⁴)/32 = 74551 mm⁴

Ângulo de torção

T = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 1,5 m = 1500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 400000·1500/(26000·74551) = 0,3095 rad
φ = 0,3095·180/π = 17,74°

Resposta

φ = 17,74°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 24,02 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 100000/104,7 = 954,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(60⁴ − 30⁴)/32 = 1,193 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 954930·30/1,193 × 10⁶ = 24,02 MPa

Resposta

τmax = 24,02 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 25 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.

σxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((90 − 120)/2)² + 20²) = 25 MPa

Resposta

τmax = 25 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = −102,9 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

τθ = −90·0,866 + −50·0,5 = −102,9 MPa

Resposta

τθ = −102,9 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,1308 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·7461 = 1,147 × 10⁹ N

Encurtamento

δ = 300000·500/1,147 × 10⁹ = 0,1308 mm

Resposta

δ = 0,1308 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,936 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 57,17 MPa
σ2 = 486,3 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 57,17·1500/100000 = 0,8575 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 486,3·500/117000 = 2,078 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,936 mm

Resposta

δ = 2,936 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 210,6 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·2000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·426667/2000² = 210552 N = 210,6 kN

Resposta

Pcr = 210,6 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 15,67 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·1500 = 1050 mm
KL/r = 1050/5 = 210

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/210² = 15,67 MPa

Resposta

σcr = 15,67 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,03951

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 = (1/1)·ln(10/7,8) = 0,2485

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2485/√(39,48 + 0,06173) = 0,03951

Resposta

ζ = 0,03951
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 40 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 = 30 + 10 = 40 kN/m

Resposta

keq = 40 kN/m

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