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​ = 100 mmd2​ = 450 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 100 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 450 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 45B = 60C = 24D = 48

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (45 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (24 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (48 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 960 rpmA = 45B = 60C = 24D = 48
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 250 N·md = 40 mmL = 0,8 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 = 250 N·md = 40 mmL = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 30 mmTB​ = 2000 N·mTC​ = 1000 N·mABC3 m3 m

Um eixo maciço de alumínio com diâmetro 30 mm está fixo em A. Um torque de 2000 N·m atua em B, a 3 m de A, e um torque de 1000 N·m no sentido oposto atua na extremidade livre C, 3 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 30 mmTB = 2000 N·mTC = 1000 N·mAB = 3 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = 100τxy​ = −60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 160 MPaσy = 100 MPaτxy = −60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 140σy​ = 90τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 140 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 460 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = 140 MPaσy = 90 MPaτxy = 30 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmLatão1 mP = 80 kN

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

P = 80 kNd = 12 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAlumínio1,5 mØ 16 mmAço1 mP = 70 kN

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

P = 70 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1,5 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1 m40 × 80 mmseção transversal

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

L = 1 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 5 kNL = 2,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 5 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 5 kNn = 3L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx12 mm4 ciclos3,4 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 12 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 3,4 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 12 mmx4 = 3,4 mmn = 4
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 10k3​ = 12m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada na mola k₃ = 12 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 100 kN/m e k₂ = 10 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 = 100 kgk1 = 100 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 307,2 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

1440·100/450 = 320 rpm

Com escorregamento

n2 = 320·0,96 = 307,2 rpm

Resposta

n2 = 307,2 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 360 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 = 960·45/60 = 720 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 720·24/48 = 360 rpm

Resposta

nout = 360 rpm

relação total = 2,667 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,169 °

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) = 250·1000·800/(39000·251327) = 0,0204 rad
φ = 0,0204·180/π = 1,169°

Resposta

φ = 1,169°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 188,6 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 = 1000 N·m
TAB = TC − TB = 1000 − 2000 = −1000 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

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

|T|max = 1000 N·m
τmax = 16·1 × 10⁶/(π·30³) = 188,6 MPa

Resposta

τmax = 188,6 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −31,72 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr, o ponto x fica a um ângulo 2θp do eixo σ; o quadrante decorre dos sinais de σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−60, 160 − 100) = −63,43°

Ângulo no elemento

θp = −31,72°

Resposta

θp = −31,72°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 2,986

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.

σxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 115 MPa, R = 39,05 MPa
σ1 = 154,1 MPa, σ2 = 75,95 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 154,1 MPa
n = 460/154,1 = 2,986

Resposta

n = 2,986

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

7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 7074 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 = 80·1000/113,1 = 707,4 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 707,4/100000 = 0,007074 = 7074 µε

Resposta

ε = 7074 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 3,863 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 99,03 MPa
σ2 = 348,2 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 99,03·1500/70000 = 2,122 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 348,2·1000/200000 = 1,741 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,863 mm

Resposta

δ = 3,863 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 73,69 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·1000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/2000² = 73693 N = 73,69 kN

Resposta

Pcr = 73,69 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 28,83 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 = 3·5000 = 15000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·15000·1250²/(π³·70000))^(1/4) = 28,83 mm

Resposta

d = 28,83 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 173,4, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05012

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 = (1/4)·ln(12/3,4) = 0,3153

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3153/√(39,48 + 0,0994) = 0,05012

Resposta

ζ = 0,05012
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 1,655 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 = 100 + 10 = 110 kN/m
keq = 110·12/(110 + 12) = 10,82 kN/m

Frequência natural

ωn = √(10820/100) = 10,4 rad/s
fn = 10,4/(2π) = 1,655 Hz

Resposta

fn = 1,655 Hz

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