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​ = 120 mmd2​ = 450 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 120 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 450 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 120 mmd2 = 450 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 32B = 60C = 18D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (32 dentes), no eixo de entrada girando a 1440 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (18 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (72 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1440 rpmA = 32B = 60C = 18D = 72
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 400 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 = 400 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 80 mm, di​ = 40 mm

Um eixo vazado transmite 75 kW a 1450 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 75 kWN = 1450 rpmdo = 80 mmdi = 40 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 60σy​ = −70τxy​ = 60MPa

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

σx = 60 MPaσy = −70 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 140σy​ = 80τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 140 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (σz = 0). Encontre a tensão equivalente de von Mises σvM.

σx = 140 MPaσy = 80 MPaτxy = 40 MPa
σvM = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12600 mm500 mmØ40Ø60δ = 0,5 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de cobre (diâmetro 60 mm, comprimento 500 mm, E = 120 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,5 mm no total.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø60 mm, 500 mm, E = 120 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø40120 GPaØ120/50300 mm

Uma haste de aço (diâmetro 40 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 150 MPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 120 GPa, tensão admissível 100 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 md = 40 mmseção transversal

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 90 kNL = 6 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 90 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 90 kNn = 2,5L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx20 mm2 ciclos9,4 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 20 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 9,4 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 20 mmx2 = 9,4 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 40m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 80 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 100 kgk1 = 80 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 745 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

2880·120/450 = 768 rpm

Com escorregamento

n2 = 768·0,97 = 745 rpm

Resposta

n2 = 745 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 192 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 = 1440·32/60 = 768 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 768·18/72 = 192 rpm

Resposta

nout = 192 rpm

relação total = 7,5 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,437 °

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) = 400·1000·1500/(39000·613592) = 0,02507 rad
φ = 0,02507·180/π = 1,437°

Resposta

φ = 1,437°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 5,241 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 75000/151,8 = 493,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(80⁴ − 40⁴)/32 = 3,77 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 493929·40/3,77 × 10⁶ = 5,241 MPa

Resposta

τmax = 5,241 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 88,46 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 = √(((60 − −70)/2)² + 60²) = 88,46 MPa

Resposta

τmax = 88,46 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σvM = 140 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. 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 = 50 MPa
σ1 = 160 MPa, σ2 = 60 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(160² − 160·60 + 60²) = 140 MPa

Resposta

σvM = 140 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 129,5 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 = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2,387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(120000·2827) = 1,474 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,5/3,861 × 10⁻⁶ = 129501 N = 129,5 kN

Resposta

P = 129,5 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 1030 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 120·10³·9346 = 1,373 × 10⁹ N

Deformação governante

ε = min(0,00075, 0,0008333) = 0,00075 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,00075·1,373 × 10⁹ = 1,03 × 10⁶ N = 1030 kN

Resposta

Pmax = 1030 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 225 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1050² = 224989 N = 225 kN

Resposta

Pcr = 225 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 104 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 = 2,5·90000 = 225000 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·225000·4200²/(π³·70000))^(1/4) = 104 mm

Resposta

d = 104 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 161,5, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05997

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 = (1/2)·ln(20/9,4) = 0,3775

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3775/√(39,48 + 0,1425) = 0,05997

Resposta

ζ = 0,05997
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,599 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/80 + 1/40 → keq = 80·40/(80 + 40) = 26,67 kN/m

Frequência natural

ωn = √(26667/100) = 16,33 rad/s
fn = 16,33/(2π) = 2,599 Hz

Resposta

fn = 2,599 Hz

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