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​N2​ = ?

Dois eixos paralelos estão a 192 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 4 mm e redução de 3 : 1. Quantos dentes N2 a engrenagem deve ter?

a = 192 mmm = 4 mmi = 3
N2 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 32C = 40D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (40 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 = 2900 rpmA = 16B = 32C = 40D = 50
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
do​ = 60, di​ = 42 mmT = 250 N·mL = 1 m

Um eixo vazado de latão (diâmetro externo 60 mm, diâmetro interno 42 mm, comprimento 1 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 250 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 250 N·mdo = 60 mmdi = 42 mmL = 1 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Um eixo vazado transmite 75 kW a 750 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 75 kWN = 750 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −30σy​ = 20MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = −30 MPa e σᵧ = 20 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 30 MPa?

σx = −30 MPaσy = 20 MPaσ1 = 30 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
60°D = 400 mm, t = 5 mm, p = 0,8 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 400 mm e espessura de parede de 5 mm contém gás a uma pressão manométrica de 0,8 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 60° do eixo do cilindro. Encontre a tensão normal σn que atua através da costura de solda.

D = 400 mmt = 5 mmp = 0,8 MPaα = 60°
σn = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12400 mm400 mmØ30Ø30δ = 0,3 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de alumínio (diâmetro 30 mm, comprimento 400 mm, E = 70 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,3 mm no total.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø30 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø40110 GPaØ120/60500 mm

Uma haste de aço (diâmetro 40 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 250 MPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 110 GPa, tensão admissível 60 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 60 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m40 × 100 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 120 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 120 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 120 kNn = 3L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mζ = 0,3m = 100 kg

Uma massa de 100 kg sobre uma mola com rigidez de 150 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,3. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 100 kgk = 150 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 100k3​ = 15m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada na mola k₃ = 15 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 5 kN/m e k₂ = 100 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 = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N2 = 72

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.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·192/4 = 96

Divida pela relação

N1 = 96/(1 + 3) = 24
N2 = 3·24 = 72

Resposta

N2 = 72
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 1160 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 = 2900·16/32 = 1450 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1450·40/50 = 1160 rpm

Resposta

nout = 1160 rpm

relação total = 2,5 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,3799 °

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(60⁴ − 42⁴)/32 = 966855 mm⁴

Ângulo de torção

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·1000/(39000·966855) = 0,00663 rad
φ = 0,00663·180/π = 0,3799°

Resposta

φ = 0,3799°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 13,24 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 75000/78,54 = 954,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 954930·37,5/2,704 × 10⁶ = 13,24 MPa

Resposta

τmax = 13,24 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 24,49 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.

Raio necessário

C = (−30 + 20)/2 = −5 MPa
R = σ1 − C = 30 − (−5) = 35 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(35² − 25²) = 24,49 MPa

Resposta

τxy = 24,49 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σn = 20 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 400/2 = 200 mm
σh = pr/t = 0,8·200/5 = 32 MPa
σa = pr/(2t) = 16 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

σn = 16·sin²60° + 32·cos²60° = 20 MPa

Resposta

σn = 20 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 27,49 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 = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·706,9) = 2,829 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·706,9) = 8,084 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,3/1,091 × 10⁻⁵ = 27489 N = 27,49 kN

Resposta

P = 27,49 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 646 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 − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·8482 = 1,184 × 10⁹ N

Deformação governante

ε = min(0,00125, 0,0005455) = 0,0005455 (bronze)

Maior carga

Pmax = 0,0005455·1,184 × 10⁹ = 646026 N = 646 kN

Resposta

Pmax = 646 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 263,2 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 = 100·40³/12 = 533333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·533333/2000² = 263189 N = 263,2 kN

Resposta

Pcr = 263,2 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 82,72 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 = 3·120000 = 360000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·360000·2100²/(π³·70000))^(1/4) = 82,72 mm

Resposta

d = 82,72 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 101,6, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 5,88 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 = √(150000/100) = 38,73 rad/s
fn = 38,73/(2π) = 6,164 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6,164·√(1 − 0,3²) = 5,88 Hz

Resposta

fd = 5,88 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,077 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 = 5 + 100 = 105 kN/m
keq = 105·15/(105 + 15) = 13,13 kN/m

Frequência natural

ωn = √(13125/20) = 25,62 rad/s
fn = 25,62/(2π) = 4,077 Hz

Resposta

fn = 4,077 Hz

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