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
Nw​ = 36z = 4, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 4 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 36 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 4Nw = 36n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 25B = 45C = 12D = 80

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (25 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (12 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 = 2900 rpmA = 25B = 45C = 12D = 80
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 500 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 = 500 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 5 kW a 1800 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 5 kWN = 1800 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σy​ = 90MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 0 MPa e σᵧ = 90 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 135 MPa?

σx = 0 MPaσy = 90 MPaσ1 = 135 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 50σy​ = 110τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 50 MPa, σᵧ = 110 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 25° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 50 MPaσy = 110 MPaτxy = −30 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmCobre1 mP = 120 kN

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

P = 120 kNd = 30 mmL = 1 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmCobre1,5 mØ 12 mmAço1,5 mP = 110 kN

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

P = 110 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1,5 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 md = 40 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 130 kNL = 2 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 130 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 130 kNn = 3L = 2 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 200 kN/mc = 600 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 200 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 600 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 200 kN/mc = 600 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 60m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 60 kN/m e a inferior k₂ = 60 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 161,1 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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 1450·4/36 = 161,1 rpm

Resposta

nw = 161,1 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 241,7 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 = 2900·25/45 = 1611 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1611·12/80 = 241,7 rpm

Resposta

nout = 241,7 rpm

relação total = 12 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,694 °

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) = 500·1000·1500/(26000·613592) = 0,04701 rad
φ = 0,04701·180/π = 2,694°

Resposta

φ = 2,694°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 13,93 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 5000/188,5 = 26,53 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·26526/(π·50)) = 13,93 mm

Resposta

d = 13,93 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 77,94 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 = (0 + 90)/2 = 45 MPa
R = σ1 − C = 135 − 45 = 90 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(90² − 45²) = 77,94 MPa

Resposta

τxy = 77,94 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 37,74 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 = 80 + −30·0,6428 + −30·0,766 = 37,74 MPa

Resposta

σθ = 37,74 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 1,451 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 120·1000/706,9 = 169,8 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 169,8/117000 = 0,001451 = 1451 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,001451·1000 mm = 1,451 mm

Resposta

δ = 1,451 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 9,29 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 155,6 MPa
σ2 = 972,6 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 155,6·1500/117000 = 1,995 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 972,6·1500/200000 = 7,295 mm
δ = δ1 + δ2 = 9,29 mm

Resposta

δ = 9,29 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,473 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·5000 = 5000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/5000² = 3473 N = 3,473 kN

Resposta

Pcr = 3,473 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 63,34 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 = 3·130000 = 390000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·390000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 63,34 mm

Resposta

d = 63,34 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 126,3, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,15

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(200000·20) = 4000 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 600/4000 = 0,15

Resposta

ζ = 0,15

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 6,164 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 = 1/60 + 1/60 → keq = 60·60/(60 + 60) = 30 kN/m

Frequência natural

ωn = √(30000/20) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Resposta

fn = 6,164 Hz

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