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​ = 36N2​ = 50

Um motor de 0,75 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 36 dentes, que engrena com uma engrenagem de 50 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 0,75 kWn1 = 2900 rpmN1 = 36N2 = 50η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 72C = 30D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes) no eixo de entrada gira a 1440 rpm e aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (30 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 192 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 1440 rpmA = 16B = 72C = 30nout = 192 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 50 mmd2​ = 20 mmT = 400 N·mABC2 m3 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 50 mm e comprimento 2 m; o trecho BC tem diâmetro 20 mm e comprimento 3 m. Um torque de 400 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 400 N·md1 = 50 mm, L1 = 2 md2 = 20 mm, L2 = 3 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 100 mm, di​ = 80 mm

Um eixo vazado transmite 75 kW a 1450 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 75 kWN = 1450 rpmdo = 100 mmdi = 80 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 0σy​ = −80τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 0 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 0 MPaσy = −80 MPaτxy = −40 MPa
τmax = 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 200 N·m junto com um torque de 200 N·m. Na superfície superior, onde a tensão de flexão é de tração e máxima, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 40 mmM = 200 N·mT = 200 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12300 mm300 mmØ40Ø50δ = 0,3 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de bronze (diâmetro 50 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 0,3 mm no total.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø50 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmLatão1,5 mØ 20 mmLatão2 mP = 10 kN

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

P = 10 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 2 m, latão (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m20 × 80 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 = 2,5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 6 md = 50 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 8 kN/mζ = 0,5m = 8 kg

Uma massa de 8 kg sobre uma mola com rigidez de 8 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 = 8 kgk = 8 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 30m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 80 kN/m e k₂ = 30 kN/m. A massa permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 2,47 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/303,7 = 2,47 N·m

Resposta

T1 = 2,47 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 50

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.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 1440·16/72 = 320 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 30·320/192 = 50

Resposta

ND = 50
3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 254,6 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.

Tensão em cada trecho

T = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·50³) = 16,3 MPa
τBC = 16·400000/(π·20³) = 254,6 MPa

Resposta

τmax = 254,6 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 4,261 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(100⁴ − 80⁴)/32 = 5,796 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 493929·50/5,796 × 10⁶ = 4,261 MPa

Resposta

τmax = 4,261 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 56,57 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((0 − −80)/2)² + −40²) = 56,57 MPa

Resposta

τmax = 56,57 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 38,42 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) = 32·200000/(π·40³) = 31,83 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·200000/(π·40³) = 15,92 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 15,92 MPa
R = √(15,92² + 15,92²) = 22,51 MPa
σ1 = C + R = 38,42 MPa
σ2 = C − R = −6,592 MPa

Resposta

σ1 = 38,42 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 116,2 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 = 1257 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·1257) = 1,194 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1963) = 1,389 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,3/2,583 × 10⁻⁶ = 116160 N = 116,2 kN

Resposta

P = 116,2 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 31,83 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 14,15 MPa
σ2 = 31,83 MPa

Maior tensão

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

σmax = 31,83 MPa

Resposta

σmax = 31,83 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 34,38 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/1750² = 34376 N = 34,38 kN

Resposta

Pcr = 34,38 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 11,99 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/12,5 = 240

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/240² = 11,99 MPa

Resposta

σcr = 11,99 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 4,359 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 = √(8000/8) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,5²) = 4,359 Hz

Resposta

fd = 4,359 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 8,346 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 80 + 30 = 110 kN/m

Frequência natural

ωn = √(110000/40) = 52,44 rad/s
fn = 52,44/(2π) = 8,346 Hz

Resposta

fn = 8,346 Hz

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