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​ = 20, m = 3 mm

Um motor de 15 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 20 dentes e módulo de 3 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 15 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 80C = 12D = 15

Um motor de 3 kW a 1450 rpm aciona a engrenagem A (15 dentes), que engrena com a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (12 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (15 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 3 kWnin = 1450 rpmA = 15B = 80C = 12D = 15ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
T = 1000 N·md = 25 mmL = 0,8 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 = 1000 N·md = 25 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 100 kW a 1000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 100 kWN = 1000 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −80σy​ = 70τxy​ = 50MPa

Um ponto tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 70 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). O elemento é girado 20° no sentido horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = −80 MPaσy = 70 MPaτxy = 50 MPaθ = -20°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 60 mm suporta uma força axial de compressão de 140 kN junto com um torque de 1000 N·m. Na superfície do eixo, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 60 mmF = −140 kNT = 1000 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12500 mm500 mmØ25Ø40δ = 0,5 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de bronze (diâmetro 40 mm, comprimento 500 mm, E = 110 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, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø40 mm, 500 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø20100 GPaØ120/60800 mm

Uma haste de aço (diâmetro 20 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 150 MPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 100 GPa, tensão admissível 100 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 m30 × 50 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)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 10 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 10 kNn = 2,5L = 5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 2 kN/mζ = 0,5m = 8 kg

Uma massa de 8 kg sobre uma mola com rigidez de 2 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,5. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 8 kgk = 2 kN/mζ = 0,5
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 20m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 50 kN/m e k₂ = 20 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 = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 1646 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Torque no pinhão

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 15000/303,7 = 49,39 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 3·20 = 60 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·49,39/0,06 = 1646 N

Resposta

Ft = 1646 N
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 118,9 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidade de saída

nout = 1450·(15/80)·(12/15) = 217,5 rpm
ωout = 2π·217,5/60 = 22,78 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 3000·0,95² = 2708 W
Tout = Pout/ωout = 2708/22,78 = 118,9 N·m

Resposta

Tout = 118,9 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 14,94 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·800/(80000·38350) = 0,2608 rad
φ = 0,2608·180/π = 14,94°

Resposta

φ = 14,94°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 49,54 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 100000/104,7 = 954,9 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·40)) = 49,54 mm

Resposta

d = 49,54 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 84,59 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′ = −5 − (−75)·0,766 − 50·(−0,6428) = 84,59 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = −94,59 MPa, σx′ + σy′ = −10 = σx + σy

Resposta

σy′ = 84,59 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 9,431 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.

Tensões na superfície

σ = F/A = −140000/(π·60²/4) = −140000/2827 = −49,51 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·60³) = 23,58 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −24,76 MPa
R = √((−24,76)² + 23,58²) = 34,19 MPa
σ1 = C + R = 9,431 MPa
σ2 = C − R = −58,95 MPa

Resposta

σ1 = 9,431 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 57,4 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 = 490,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·490,9) = 5,093 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(110000·1257) = 3,617 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,5/8,71 × 10⁻⁶ = 57405 N = 57,4 kN

Resposta

P = 57,4 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 683,3 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 100·10³·8482 = 9,111 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,00075, 0,001) = 0,00075 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,00075·9,111 × 10⁸ = 683296 N = 683,3 kN

Resposta

Pmax = 683,3 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 201,4 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/1050² = 201420 N = 201,4 kN

Resposta

Pcr = 201,4 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 42,16 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 = 2,5·10000 = 25000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·25000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 42,16 mm

Resposta

d = 42,16 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 332, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,179 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.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(2000/8) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,5²) = 2,179 Hz

Resposta

fd = 2,179 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 13,32 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 = 50 + 20 = 70 kN/m

Frequência natural

ωn = √(70000/10) = 83,67 rad/s
fn = 83,67/(2π) = 13,32 Hz

Resposta

fn = 13,32 Hz

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