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
N1​ = 20N2​ = 45

Um motor de 15 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 20 dentes, que engrena com uma engrenagem de 45 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 45η = 98%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 30C = 12D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (30 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 15B = 30C = 12D = 50
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 100 N·md = 40 mmL = 2,5 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 = 40 mmL = 2,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = ?15 kW, 1450 rpm

Um eixo maciço de latão transmite 15 kW a 1450 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 40 MPa e a torção não pode passar de 0,5° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 15 kWN = 1450 rpmτallow = 40 MPaθallow = 0,5°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 30σy​ = −40τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 30 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 30 MPaσy = −40 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −80σy​ = 100τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 15° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −80 MPaσy = 100 MPaτxy = −50 MPaθ = 15°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12300 mm300 mmØ30Ø40δ = 0,4 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de alumínio (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 70 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,4 mm no total.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø40 mm, 300 mm, E = 70 GPaδ = 0,4 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
80 kN12600 mm300 mmØ40Ø40σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 80 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø40 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m30 × 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 2 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 20 kN/mc = 160 N·s/mm = 50 kg

Uma massa de 50 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 20 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 160 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 50 kgk = 20 kN/mc = 160 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 40m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 15 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 = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 98,79 N·m

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.

Torque do motor

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Resposta

T1 = 98,79 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 174 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 = 1450·15/30 = 725 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 725·12/50 = 174 rpm

Resposta

nout = 174 rpm

relação total = 8,333 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,7124 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 100·1000·2500/(80000·251327) = 0,01243 rad
φ = 0,01243·180/π = 0,7124°

Resposta

φ = 0,7124°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 41,47 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 98,79 N·m = 98786 N·mm
dτ = ∛(16·98786/(π·40)) = 23,26 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·98786/(π·39000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 41,47 mm

Diâmetro determinante

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

d = max(23,26, 41,47) = 41,47 mm

Resposta

d = 41,47 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 61,03 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 = √(((30 − −40)/2)² + −50²) = 61,03 MPa

Resposta

τmax = 61,03 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −92,94 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.

Equação de transformação

σθ = 10 + −90·0,866 + −50·0,5 = −92,94 MPa

Resposta

σθ = −92,94 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 72,3 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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·706,9) = 2,122 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(70000·1257) = 3,41 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,4/5,533 × 10⁻⁶ = 72300 N = 72,3 kN

Resposta

P = 72,3 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 34,72 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 = 200000·1257/600 = 418879 N/mm
k₂ = 120000·1257/300 = 502655 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 80000·502655/921534 = 43636 N

Tensão

σ2 = 43636/1257 = 34,72 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 34,72 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 15,86 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·180000/2800² = 15862 N = 15,86 kN

Resposta

Pcr = 15,86 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 69,09 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 = 0,5·2000 = 1000 mm
KL/r = 1000/10 = 100

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69,09 MPa

Resposta

σcr = 69,09 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,08

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·√(20000·50) = 2000 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 160/2000 = 0,08

Resposta

ζ = 0,08

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 8,346 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 = 15 + 40 = 55 kN/m

Frequência natural

ωn = √(55000/20) = 52,44 rad/s
fn = 52,44/(2π) = 8,346 Hz

Resposta

fn = 8,346 Hz

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