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​ = 16N2​ = 80

Um motor de 5,5 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 16 dentes, que engrena com uma engrenagem de 80 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 5,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 80η = 95%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 32C = 18D = 45

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (18 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (45 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 16B = 32C = 18D = 45
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d = 15 mmT = 40 N·m200 mmφ = 2,36°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 15 mm é torcido por um torque de 40 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 200 mm giram 2,36° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 40 N·md = 15 mmL = 200 mmφ = 2,36°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 50 kW a 1000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 50 kWN = 1000 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −40σy​ = 90τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −40 MPa, σᵧ = 90 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 = −40 MPaσy = 90 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −70σy​ = 0τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −70 MPa, σᵧ = 0 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 50° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −70 MPaσy = 0 MPaτxy = −50 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmLatão2 mP = 20 kN

Encontre o alongamento δ da barra de latão sob a carga axial.

P = 20 kNd = 25 mmL = 2 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø20100 GPaØ120/70800 mm

Uma haste de aço (diâmetro 20 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 250 MPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 100 GPa, tensão admissível 70 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 100 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 md = 25 mmseção transversal

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 10 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 10 kNn = 2L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx30 mm3 ciclos1,7 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 30 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 1,7 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 30 mmx3 = 1,7 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 40m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 50 kN/m e k₂ = 40 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 = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 172,1 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/151,8 = 36,22 N·m

Torque de saída

T2 = 36,22·80/16·0,95 = 172,1 N·m

Resposta

T2 = 172,1 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 290 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 = 1450·16/32 = 725 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 725·18/45 = 290 rpm

Resposta

nout = 290 rpm

relação total = 5 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: G = 39,08 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·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 2,36·π/180 = 0,04119 rad

Módulo de cisalhamento

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·200/(4970·0,04119) = 39078 MPa
G = 39,08 GPa

Resposta

G = 39,08 GPa

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

4.Torção de eixos

Resposta: d = 34,35 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 50000/104,7 = 477,5 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·477465/(π·60)) = 34,35 mm

Resposta

d = 34,35 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −81,45 °

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·−20, −40 − 90) = −162,9°

Ângulo no elemento

θp = −81,45°

Resposta

θp = −81,45°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −78,16 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 = −35 + −35·−0,1736 + −50·0,9848 = −78,16 MPa

Resposta

σθ = −78,16 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,8149 mm

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 = 20·1000/490,9 = 40,74 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 40,74/100000 = 0,0004074 = 407,4 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0004074·2000 mm = 0,8149 mm

Resposta

δ = 0,8149 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 566,3 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

Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·7461 = 8,09 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,00125, 0,0007) = 0,0007 (latão)

Maior carga

Pmax = 0,0007·8,09 × 10⁸ = 566272 N = 566,3 kN

Resposta

Pmax = 566,3 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 12,02 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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/1050² = 12016 N = 12,02 kN

Resposta

Pcr = 12,02 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 26,11 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 = 2·10000 = 20000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·20000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 26,11 mm

Resposta

d = 26,11 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 229,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1506

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 = (1/3)·ln(30/1,7) = 0,9569

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9569/√(39,48 + 0,9156) = 0,1506

Resposta

ζ = 0,1506
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 9,549 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 = 50 + 40 = 90 kN/m

Frequência natural

ωn = √(90000/25) = 60 rad/s
fn = 60/(2π) = 9,549 Hz

Resposta

fn = 9,549 Hz

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