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​ = 30z = 3, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 3 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 30 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 3Nw = 30n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 1000 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 150 mm a 720 rpm a uma polia de 300 mm; os centros estão a 1000 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1500 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 720 rpmd2 = 300 mmC = 1000 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 100 N·md = 25 mmL = 0,8 mφ = ?

Um eixo maciço de aço 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 = 100 N·md = 25 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?50 kW, 1000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 50 kW a 1000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,6 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 50 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,6τallow = 75 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 130σy​ = 60MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 130 MPa e σᵧ = 60 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 185 MPa?

σx = 130 MPaσy = 60 MPaσ1 = 185 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 100σy​ = 110τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 100 MPa, σᵧ = 110 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 420 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = 100 MPaσy = 110 MPaτxy = −40 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmAlumínio3 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 16 mmL = 3 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø30100 GPaØ100/60400 mm

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 120 MPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 100 GPa, tensão admissível 80 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m50 × 80 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 = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 6 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 6 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 15 kN/mζ = 0,3m = 100 kg

Uma massa de 100 kg sobre uma mola com rigidez de 15 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,3. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 100 kgk = 15 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 15k3​ = 30m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada na mola k₃ = 30 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 40 kN/m e k₂ = 15 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 = 50 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 145 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 = 1450·3/30 = 145 rpm

Resposta

nw = 145 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 4,467 kW

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Ângulo de abraçamento

θ = 2,991 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7479 = 2,112, T₂ = 1500/2,112 = 710,1 N

Potência

P = (1500 − 710,1)·5,655 = 4,467 kW

Resposta

P = 4,467 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,494 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 100·1000·800/(80000·38350) = 0,02608 rad
φ = 0,02608·180/π = 1,494°

Resposta

φ = 1,494°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 33,4 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 externo pela tensão admissível

T = 477,5 N·m = 477465 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·477465/(π·75·0,8704)) = 33,4 mm
di = 0,6·33,4 = 20,04 mm

Resposta

do = 33,4 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 31,89 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 82,92 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 = (130 + 60)/2 = 95 MPa
R = σ1 − C = 185 − 95 = 90 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(90² − 35²) = 82,92 MPa

Resposta

τxy = 82,92 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 2,89

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. Critérios de escoamento: von Mises prevê escoamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atinge σY; Tresca quando a tensão de cisalhamento máxima absoluta atinge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 105 MPa, R = 40,31 MPa
σ1 = 145,3 MPa, σ2 = 64,69 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 145,3 MPa
n = 420/145,3 = 2,89

Resposta

n = 2,89

n > 1 significa que o ponto não escoa; Tresca é um pouco mais conservador que von Mises.

7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 21,32 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 100·1000/201,1 = 497,4 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 497,4/70000 = 0,007105 = 7105 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,007105·3000 mm = 21,32 mm

Resposta

δ = 21,32 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 386,4 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·5027 = 6,44 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0006, 0,0008) = 0,0006 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,0006·6,44 × 10⁸ = 386416 N = 386,4 kN

Resposta

Pmax = 386,4 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 143,9 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/2000² = 143932 N = 143,9 kN

Resposta

Pcr = 143,9 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 11,19 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/10 = 420

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/420² = 11,19 MPa

Resposta

σcr = 11,19 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,859 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 = √(15000/100) = 12,25 rad/s
fn = 12,25/(2π) = 1,949 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,949·√(1 − 0,3²) = 1,859 Hz

Resposta

fd = 1,859 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,136 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 = 40 + 15 = 55 kN/m
keq = 55·30/(55 + 30) = 19,41 kN/m

Frequência natural

ωn = √(19412/50) = 19,7 rad/s
fn = 19,7/(2π) = 3,136 Hz

Resposta

fn = 3,136 Hz

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