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​ = 125 mmd2​ = 200 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 125 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 200 mm por uma correia com 2,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 125 mmd2 = 200 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 600 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 120 mm e uma polia de 500 mm cujos centros estão a 600 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 120 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 250 N·md = 40 mmL = 1 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 = 1 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 30 mm

Um eixo vazado transmite 15 kW a 1800 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 15 kWN = 1800 rpmdo = 50 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = −50τxy​ = 60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = −50 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 140 MPaσy = −50 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = 100τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = −10 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 355 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = −10 MPaσy = 100 MPaτxy = 10 MPaσY = 355 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmCobre2,5 mP = 10 kN

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

P = 10 kNd = 16 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
100 kN12600 mm500 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 40 mm, comprimento 500 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 100 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø40 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 md = 30 mmseção transversal

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

L = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 6 md = 25 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 200 GPa (aço)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx40 mm4 ciclos14,6 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 40 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 14,6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 40 mmx4 = 14,6 mmn = 4
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 40k3​ = 20m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada na mola k₃ = 20 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 = 40 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 = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 1755 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

2880·125/200 = 1800 rpm

Com escorregamento

n2 = 1800·0,975 = 1755 rpm

Resposta

n2 = 1755 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 143,1 °

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 da correia

asin(0,3167) = 18,46°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·18,46 = 143,1°

Resposta

θ = 143,1°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,461 °

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) = 250·1000·1000/(39000·251327) = 0,02551 rad
φ = 0,02551·180/π = 1,461°

Resposta

φ = 1,461°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 3,725 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.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 15000/188,5 = 79,58 N·m

Momento polar de inércia

J = π(50⁴ − 30⁴)/32 = 534071 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 79577·25/534071 = 3,725 MPa

Resposta

τmax = 3,725 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 112,4 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 = √(((140 − −50)/2)² + 60²) = 112,4 MPa

Resposta

τmax = 112,4 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 3,175

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 = 45 MPa, R = 55,9 MPa
σ1 = 100,9 MPa, σ2 = −10,9 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 111,8 MPa
n = 355/111,8 = 3,175

Resposta

n = 3,175

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

7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 1,063 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 = 10·1000/201,1 = 49,74 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 49,74/117000 = 0,0004251 = 425,1 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0004251·2500 mm = 1,063 mm

Resposta

δ = 1,063 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 51,59 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 = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 120000·1257/500 = 301593 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 100000·301593/465218 = 64828 N

Tensão

σ2 = 64828/1257 = 51,59 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 51,59 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 4,905 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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·2000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/4000² = 4905 N = 4,905 kN

Resposta

Pcr = 4,905 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 8,567 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,5·6000 = 3000 mm
KL/r = 3000/6,25 = 480

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/480² = 8,567 MPa

Resposta

σcr = 8,567 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,04007

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(40/14,6) = 0,252

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,252/√(39,48 + 0,06349) = 0,04007

Resposta

ζ = 0,04007
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

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 100 + 40 = 140 kN/m
keq = 140·20/(140 + 20) = 17,5 kN/m

Frequência natural

ωn = √(17500/5) = 59,16 rad/s
fn = 59,16/(2π) = 9,416 Hz

Resposta

fn = 9,416 Hz

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