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​ = 80 mmd2​ = 500 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 80 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 500 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 80 mmd2 = 500 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 500 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 100 mm a 1500 rpm a uma polia de 400 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 2000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 1500 rpmd2 = 400 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
do​ = 40, di​ = 20 mmT = 250 N·mL = 0,8 m

Um eixo vazado de alumínio (diâmetro externo 40 mm, diâmetro interno 20 mm, comprimento 0,8 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 250 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 250 N·mdo = 40 mmdi = 20 mmL = 0,8 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?15 kW, 500 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 15 kW a 500 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,7 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 15 kWN = 500 rpmdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 60σy​ = 90τxy​ = 20MPa

Um ponto tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). O elemento é girado 20° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 60 MPaσy = 90 MPaτxy = 20 MPaθ = 20°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 160σy​ = 60τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 160 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 250 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de von Mises (energia de distorção).

σx = 160 MPaσy = 60 MPaτxy = 20 MPaσY = 250 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmAço2 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 16 mmL = 2 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø25110 GPaØ120/50500 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 120 MPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 110 GPa, tensão admissível 60 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m40 × 60 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 = 3 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 25 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 25 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 25 kNn = 3L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm3 ciclos3,2 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 3,2 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx3 = 3,2 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 40m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 100 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 = 40 kgk1 = 100 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 447 rpm

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 sem escorregamento

2880·80/500 = 460,8 rpm

Com escorregamento

n2 = 460,8·0,97 = 447 rpm

Resposta

n2 = 447 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 8,359 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 = 2,532 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7597 = 2,138, T₂ = 2000/2,138 = 935,6 N

Potência

P = (2000 − 935,6)·7,854 = 8,359 kW

Resposta

P = 8,359 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,871 °

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(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Ângulo de torção

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·800/(26000·235619) = 0,03265 rad
φ = 0,03265·180/π = 1,871°

Resposta

φ = 1,871°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 31,75 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 15000/52,36 = 286,5 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 286,5 N·m = 286479 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·286479/(π·60·0,7599)) = 31,75 mm
di = 0,7·31,75 = 22,22 mm

Resposta

do = 31,75 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 28,97 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 73,63 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 para a face y′

σy′ = 75 − (−15)·0,766 − 20·0,6428 = 73,63 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 76,37 MPa, σx′ + σy′ = 150 = σx + σy

Resposta

σy′ = 73,63 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 1,733

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 = 110 MPa, R = 53,85 MPa
σ1 = 163,9 MPa, σ2 = 56,15 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(163,9² − 163,9·56,15 + 56,15²) = 144,2 MPa
n = 250/144,2 = 1,733

Resposta

n = 1,733

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

7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 4,974 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 aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 497,4/200000 = 0,002487 = 2487 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,002487·2000 mm = 4,974 mm

Resposta

δ = 4,974 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 614,3 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·9346 = 1,126 × 10⁹ N

Deformação governante

ε = min(0,0006, 0,0005455) = 0,0005455 (bronze)

Maior carga

Pmax = 0,0005455·1,126 × 10⁹ = 614324 N = 614,3 kN

Resposta

Pmax = 614,3 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 98,26 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·320000/1500² = 98257 N = 98,26 kN

Resposta

Pcr = 98,26 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 51,37 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 = 3·25000 = 75000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·75000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 51,37 mm

Resposta

d = 51,37 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 233,6, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,06034

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(10/3,2) = 0,3798

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3798/√(39,48 + 0,1443) = 0,06034

Resposta

ζ = 0,06034
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 9,416 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 = 100 + 40 = 140 kN/m

Frequência natural

ωn = √(140000/40) = 59,16 rad/s
fn = 59,16/(2π) = 9,416 Hz

Resposta

fn = 9,416 Hz

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