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​ = 40z = 3, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 3 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 40 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 3Nw = 40n = 1450 rpm
nw = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 40B = 45C = 25D = 36

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (40 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (25 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (36 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 960 rpmA = 40B = 45C = 25D = 36
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 50 mmd2​ = 20 mmT = 250 N·mABC1,5 m1 m

Um eixo maciço escalonado de alumínio está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 50 mm e comprimento 1,5 m; o trecho BC tem diâmetro 20 mm e comprimento 1 m. Um torque de 250 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 250 N·md1 = 50 mm, L1 = 1,5 md2 = 20 mm, L2 = 1 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
d = 25 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 200 N·mABC1 m3 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 25 mm está fixo em A. Um torque de 400 N·m atua em B, a 1 m de A, e um torque de 200 N·m no sentido oposto atua na extremidade livre C, 3 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 25 mmTB = 400 N·mTC = 200 N·mAB = 1 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 20σy​ = 120τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 20 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 30 MPa, com σz = 0. Encontre a tensão de cisalhamento máxima absoluta τabs no ponto (considerando todos os planos em três dimensões).

σx = 20 MPaσy = 120 MPaτxy = 30 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
40°D = 1200 mm, t = 8 mm, p = 1,2 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 1200 mm e espessura de parede de 8 mm contém gás a uma pressão manométrica de 1,2 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 40° do eixo do cilindro. Encontre a tensão normal σn que atua através da costura de solda.

D = 1200 mmt = 8 mmp = 1,2 MPaα = 40°
σn = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
80 kNØ30110 GPaØ120/70500 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 110 GPa). Ambos têm 500 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 80 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 80 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 110 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmAlumínio2 mØ 16 mmCobre1 mP = 25 kN

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

P = 25 kNtrecho 1: Ø25 mm, 2 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m25 × 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 = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 140 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 140 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 140 kNn = 2,5L = 3 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 100 kN/mc = 950 N·s/mm = 100 kg

Uma massa de 100 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 100 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 950 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 100 kgk = 100 kN/mc = 950 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 25k3​ = 10m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada na mola k₃ = 10 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 30 kN/m e k₂ = 25 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 = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 108,8 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 = 1450·3/40 = 108,8 rpm

Resposta

nw = 108,8 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 592,6 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 = 960·40/45 = 853,3 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 853,3·25/36 = 592,6 rpm

Resposta

nout = 592,6 rpm

relação total = 1,62 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 159,2 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 = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·50³) = 10,19 MPa
τBC = 16·250000/(π·20³) = 159,2 MPa

Resposta

τmax = 159,2 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 65,19 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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC − TB = 200 − 400 = −200 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 200 N·m
τmax = 16·200000/(π·25³) = 65,19 MPa

Resposta

τmax = 65,19 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τabs = 64,15 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. Em três dimensões a tensão de cisalhamento máxima absoluta é (σmax − σmin)/2 considerando as três tensões principais; no estado plano de tensão a terceira é zero.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais no plano

C = 70 MPa, R = √((−50)² + 30²) = 58,31 MPa
σ1 = 128,3 MPa, σ2 = 11,69 MPa, σz = 0

O maior dos três círculos

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(116,6, 128,3, 11,69)/2 = 64,15 MPa

Resposta

τabs = 64,15 MPa

Aqui o círculo fora do plano governa: o máximo absoluto é maior que o máximo no plano R.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σn = 71,41 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 1200/2 = 600 mm
σh = pr/t = 1,2·600/8 = 90 MPa
σa = pr/(2t) = 45 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

σn = 45·sin²40° + 90·cos²40° = 71,41 MPa

Resposta

σn = 71,41 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,04158 mm

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(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·7461 = 9,621 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 80000·500/9,621 × 10⁸ = 0,04158 mm

Resposta

δ = 0,04158 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,518 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 50,93 MPa
σ2 = 124,3 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 50,93·2000/70000 = 1,455 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 124,3·1000/117000 = 1,063 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,518 mm

Resposta

δ = 2,518 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 5,757 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 = 40·25³/12 = 52083 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·2500 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·52083/2500² = 5757 N = 5,757 kN

Resposta

Pcr = 5,757 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 106,8 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 = 2,5·140000 = 350000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·350000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 106,8 mm

Resposta

d = 106,8 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 224,7, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1502

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·√(100000·100) = 6325 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 950/6325 = 0,1502

Resposta

ζ = 0,1502

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,63 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 = 30 + 25 = 55 kN/m
keq = 55·10/(55 + 10) = 8,462 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8462/10) = 29,09 rad/s
fn = 29,09/(2π) = 4,63 Hz

Resposta

fn = 4,63 Hz

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