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
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm960 rpmT1​ = 400 NT2​ = 120 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 160 mm a 960 rpm. A tração é de 400 N no lado tracionado e de 120 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 120 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 40C = 16D = 25

Um motor de 1,1 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (16 dentes), que engrena com a engrenagem B (40 dentes). A engrenagem C (16 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 1,1 kWnin = 960 rpmA = 16B = 40C = 16D = 25ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 50 mmL = 1,5 mφ = ?

Um eixo maciço de latão 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 = 750 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = ?5 kW, 300 rpm

Um eixo maciço de aço transmite 5 kW a 300 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 40 MPa e a torção não pode passar de 1° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 5 kWN = 300 rpmτallow = 40 MPaθallow = 1°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 0σy​ = −70τxy​ = −60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 0 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 0 MPaσy = −70 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 0σy​ = 50τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 0 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 50° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 0 MPaσy = 50 MPaτxy = −40 MPaθ = 50°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAlumínio2 mP = 70 kN

Encontre a deformação axial ε na barra de alumínio, em microdeformação (µε = 10⁻⁶).

P = 70 kNd = 12 mmL = 2 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
50 kN12300 mm300 mmØ30Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 50 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 50 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m20 × 50 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 = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 60 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 = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mζ = 0,7m = 8 kg

Uma massa de 8 kg sobre uma mola com rigidez de 150 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,7. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 8 kgk = 150 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 50m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 100 kN/m e k₂ = 50 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,252 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.

Velocidade da correia

v = 8,042 m/s

Potência

P = (400 − 120)·8,042 = 2252 W = 2,252 kW

Resposta

P = 2,252 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 38,57 N·m

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.

Velocidade de saída

nout = 960·(16/40)·(16/25) = 245,8 rpm
ωout = 2π·245,8/60 = 25,74 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 1100·0,95² = 992,8 W
Tout = Pout/ωout = 992,8/25,74 = 38,57 N·m

Resposta

Tout = 38,57 N·m
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) = 750·1000·1500/(39000·613592) = 0,04701 rad
φ = 0,04701·180/π = 2,694°

Resposta

φ = 2,694°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 32,83 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 5000/31,42 = 159,2 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 159,2 N·m = 159155 N·mm
dτ = ∛(16·159155/(π·40)) = 27,26 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 1·π/180/1000 = 1,745 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·159155/(π·80000·1,745 × 10⁻⁵))1/4 = 32,83 mm

Diâmetro determinante

Os dois limites devem ser atendidos, então o maior diâmetro governa.

d = max(27,26, 32,83) = 32,83 mm

Resposta

d = 32,83 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 69,46 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 − −70)/2)² + −60²) = 69,46 MPa

Resposta

τmax = 69,46 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 31,57 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.

Equação de transformação

τθ = −−25·0,9848 + −40·−0,1736 = 31,57 MPa

Resposta

τθ = 31,57 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 8842 µε

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 70·1000/113,1 = 618,9 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 618,9/70000 = 0,008842 = 8842 µε

Resposta

ε = 8842 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 15,92 MPa

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.

Rigidezes

k₁ = 200000·706,9/300 = 471239 N/mm
k₂ = 120000·1963/300 = 785398 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 50000·785398/1,257 × 10⁶ = 31250 N

Tensão

σ2 = 31250/1963 = 15,92 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 15,92 MPa
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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/2000² = 5757 N = 5,757 kN

Resposta

Pcr = 5,757 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 100,7 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/15 = 140

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/140² = 100,7 MPa

Resposta

σcr = 100,7 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 15,56 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 = √(150000/8) = 136,9 rad/s
fn = 136,9/(2π) = 21,79 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 21,79·√(1 − 0,7²) = 15,56 Hz

Resposta

fd = 15,56 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 150 kN/m

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 = 100 + 50 = 150 kN/m

Resposta

keq = 150 kN/m

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