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​ = 16, m = 2,5 mm

Um motor de 3 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 16 dentes e módulo de 2,5 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 3 kWn = 2900 rpmN1 = 16m = 2,5 mm
Ft = N
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 40C = 25D = 80

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (40 dentes). A engrenagem C (25 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 = 1450 rpmA = 12B = 40C = 25D = 80
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 1000 N·md = 50 mmL = 1,5 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 1000 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 10 kW a 3000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 10 kWN = 3000 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 40σy​ = 60τxy​ = 60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 40 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = 60 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 = 60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −50σy​ = −20τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −50 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = −20 MPaτxy = 40 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12600 mm300 mmØ25Ø40δ = 0,4 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de bronze (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 110 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,4 mm no total.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø40 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12500 mm300 mmØ40Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 50 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m40 × 100 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 = 2,5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 70 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 70 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 70 kNn = 3L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx30 mm1 ciclo20,6 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 30 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 20,6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 30 mmx1 = 20,6 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 80k3​ = 15m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada na mola k₃ = 15 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 100 kN/m e k₂ = 80 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 100 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 493,9 N

Geometria de engrenagens: o módulo m define o tamanho do dente. Uma engrenagem com N dentes tem diâmetro primitivo d = m·N, duas engrenagens acopladas têm o mesmo módulo, e a distância entre centros é a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. A velocidade tangencial no diâmetro primitivo é v = π·d·n/60, e a força tangencial no dente vem do torque: Ft = 2T/d.

Torque no pinhão

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 3000/303,7 = 9,879 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 2,5·16 = 40 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·9,879/0,04 = 493,9 N

Resposta

Ft = 493,9 N
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 135,9 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 = 1450·12/40 = 435 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 435·25/80 = 135,9 rpm

Resposta

nout = 135,9 rpm

relação total = 10,67 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 5,387 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·1500/(26000·613592) = 0,09402 rad
φ = 0,09402·180/π = 5,387°

Resposta

φ = 5,387°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 12,93 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 10000/314,2 = 31,83 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·31831/(π·75)) = 12,93 mm

Resposta

d = 12,93 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 49,73 °

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(2·60, 40 − 60) = 99,46°

Ângulo no elemento

θp = 49,73°

Resposta

θp = 49,73°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = −15 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 = −−15·−1 + 40·0 = −15 MPa

Resposta

τθ = −15 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 48,3 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

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·490,9) = 6,112 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1257) = 2,17 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,4/8,282 × 10⁻⁶ = 48298 N = 48,3 kN

Resposta

P = 48,3 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 18,63 MPa

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.

Rigidezes

k₁ = 200000·1257/500 = 502655 N/mm
k₂ = 120000·1963/300 = 785398 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·785398/1,288 × 10⁶ = 36585 N

Tensão

σ2 = 36585/1963 = 18,63 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 18,63 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 168,4 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

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·2500 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/2500² = 168441 N = 168,4 kN

Resposta

Pcr = 168,4 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 46,99 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 = 3·70000 = 210000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·210000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 46,99 mm

Resposta

d = 46,99 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 127,7, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05972

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(30/20,6) = 0,3759

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3759/√(39,48 + 0,1413) = 0,05972

Resposta

ζ = 0,05972
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,746 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.

Rigidez equivalente

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 100 + 80 = 180 kN/m
keq = 180·15/(180 + 15) = 13,85 kN/m

Frequência natural

ωn = √(13846/25) = 23,53 rad/s
fn = 23,53/(2π) = 3,746 Hz

Resposta

fn = 3,746 Hz

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