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​ = ?N2​

Dois eixos paralelos estão a 56,25 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 1,5 mm e redução de 1,5 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?

a = 56,25 mmm = 1,5 mmi = 1,5
N1 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 24B = 48C = 16D = 18

Um motor de 5,5 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (24 dentes), que engrena com a engrenagem B (48 dentes). A engrenagem C (16 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (18 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 5,5 kWnin = 960 rpmA = 24B = 48C = 16D = 18ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
d = 12 mmT = 75 N·m250 mmφ = 13,53°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 12 mm é torcido por um torque de 75 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 250 mm giram 13,53° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 75 N·md = 12 mmL = 250 mmφ = 13,53°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 30 kW a 750 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 30 kWN = 750 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 80σy​ = −20MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 80 MPa e σᵧ = −20 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 130 MPa?

σx = 80 MPaσy = −20 MPaσ1 = 130 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície superior do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 40 mm suporta um momento fletor de 100 N·m junto com um torque de 1500 N·m. Na superfície superior, onde a tensão de flexão é de tração e máxima, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 40 mmM = 100 N·mT = 1500 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmAlumínio1,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNd = 25 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø2570 GPaØ120/50300 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 200 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 50 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m20 × 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 = 3 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 30 mmseção transversal

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

L = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 100 kN/mζ = 0,5m = 20 kg

Uma massa de 20 kg sobre uma mola com rigidez de 100 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,5. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 20 kgk = 100 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 10m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 12 kN/m e a inferior k₂ = 10 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N1 = 30

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.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·56,25/1,5 = 75

Divida pela relação

N1 = 75/(1 + 1,5) = 30

Resposta

N1 = 30
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 115,8 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 = 960·(24/48)·(16/18) = 426,7 rpm
ωout = 2π·426,7/60 = 44,68 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 5500·0,97² = 5175 W
Tout = Pout/ωout = 5175/44,68 = 115,8 N·m

Resposta

Tout = 115,8 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: G = 39 GPa

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 e ângulo

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 13,53·π/180 = 0,2361 rad

Módulo de cisalhamento

T = 75 N·m = 75000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 75000·250/(2036·0,2361) = 39003 MPa
G = 39 GPa

Resposta

G = 39 GPa

Compare: aço ≈ 80 GPa, latão ≈ 39 GPa, alumínio ≈ 26 GPa.

4.Torção de eixos

Resposta: d = 33,89 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·50)) = 33,89 mm

Resposta

d = 33,89 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 86,6 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.

Raio necessário

C = (80 + (−20))/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 130 − 30 = 100 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(100² − 50²) = 86,6 MPa

Resposta

τxy = 86,6 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 119,6 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 = 32M/(πd³) = 32·100000/(π·40³) = 15,92 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·40³) = 119,4 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 7,958 MPa
R = √(7,958² + 119,4²) = 119,6 MPa

Resposta

τmax = 119,6 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 3056 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 105·1000/490,9 = 213,9 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 213,9/70000 = 0,003056 = 3056 µε

Resposta

ε = 3056 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 537,4 kN

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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·9346 = 7,524 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,001, 0,0007143) = 0,0007143 (alumínio)

Maior carga

Pmax = 0,0007143·7,524 × 10⁸ = 537437 N = 537,4 kN

Resposta

Pmax = 537,4 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 12,28 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/1500² = 12282 N = 12,28 kN

Resposta

Pcr = 12,28 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 27,76 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/7,5 = 266,7

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/266,7² = 27,76 MPa

Resposta

σcr = 27,76 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 9,746 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.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(100000/20) = 70,71 rad/s
fn = 70,71/(2π) = 11,25 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 11,25·√(1 − 0,5²) = 9,746 Hz

Resposta

fd = 9,746 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,257 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

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

1/keq = 1/12 + 1/10 → keq = 12·10/(12 + 10) = 5,455 kN/m

Frequência natural

ωn = √(5455/5) = 33,03 rad/s
fn = 33,03/(2π) = 5,257 Hz

Resposta

fn = 5,257 Hz

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