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​ = 160 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

Uma polia de 160 mm a 720 rpm aciona uma polia de 300 mm por uma correia com 1 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 720 rpmd1 = 160 mmd2 = 300 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 100 mm e uma polia de 200 mm cujos centros estão a 1200 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 100 mmd2 = 200 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 30 mmT = 250 N·mABC0,8 m1 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 0,8 m; o trecho BC tem diâmetro 30 mm e comprimento 1 m. Um torque de 250 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 250 N·md1 = 75 mm, L1 = 0,8 md2 = 30 mm, L2 = 1 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 15 kW a 1800 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 15 kWN = 1800 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 70σy​ = −80τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 70 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 70 MPaσy = −80 MPaτxy = −50 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
35°D = 800 mm, t = 15 mm, p = 2,5 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 800 mm e espessura de parede de 15 mm contém gás a uma pressão manométrica de 2,5 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 35° do eixo do cilindro. Encontre a tensão normal σn que atua através da costura de solda.

D = 800 mmt = 15 mmp = 2,5 MPaα = 35°
σn = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmCobre1,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 16 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12500 mm200 mmØ40Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 50 mm, comprimento 200 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø50 mm, 200 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m30 × 40 mmseção transversal

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

L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 25 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 25 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 25 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx25 mm1 ciclo17,1 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 25 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 17,1 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 25 mmx1 = 17,1 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 60k2​ = 20k3​ = 20m = 10 kg

Uma massa de 10 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 = 60 kN/m e k₂ = 20 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 = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 380,2 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

720·160/300 = 384 rpm

Com escorregamento

n2 = 384·0,99 = 380,2 rpm

Resposta

n2 = 380,2 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 175,2 °

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(0,04167) = 2,388°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·2,388 = 175,2°

Resposta

θ = 175,2°
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 2,298 °

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.

Momentos polares

J1 = π·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 250 N·m = 250000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 250000·800/(80000·3,106 × 10⁶) = 0,0008048 rad
φBC = 250000·1000/(80000·79522) = 0,0393 rad

Torção total

φC = 0,0008048 + 0,0393 = 0,0401 rad = 2,298°

Resposta

φC = 2,298°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 20,09 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 15000/188,5 = 79,58 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·79577/(π·50)) = 20,09 mm

Resposta

d = 20,09 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −16,85 °

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·−50, 70 − −80) = −33,69°

Ângulo no elemento

θp = −16,85°

Resposta

θp = −16,85°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σn = 55,7 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 = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 2,5·400/15 = 66,67 MPa
σa = pr/(2t) = 33,33 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 = 33,33·sin²35° + 66,67·cos²35° = 55,7 MPa

Resposta

σn = 55,7 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 4,782 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 = 75·1000/201,1 = 373 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 373/117000 = 0,003188 = 3188 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,003188·1500 mm = 4,782 mm

Resposta

δ = 4,782 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 21,42 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 = 200000·1257/500 = 502655 N/mm
k₂ = 120000·1963/200 = 1,178 × 10⁶ N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·1,178 × 10⁶/1,681 × 10⁶ = 42056 N

Tensão

σ2 = 42056/1963 = 21,42 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 21,42 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 7,931 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·90000/2800² = 7931 N = 7,931 kN

Resposta

Pcr = 7,931 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 37,75 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 = 2,5·25000 = 62500 N
KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·62500·1050²/(π³·70000))^(1/4) = 37,75 mm

Resposta

d = 37,75 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 111,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,06034

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 = (1/1)·ln(25/17,1) = 0,3798

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3798/√(39,48 + 0,1442) = 0,06034

Resposta

ζ = 0,06034
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 6,366 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 = 60 + 20 = 80 kN/m
keq = 80·20/(80 + 20) = 16 kN/m

Frequência natural

ωn = √(16000/10) = 40 rad/s
fn = 40/(2π) = 6,366 Hz

Resposta

fn = 6,366 Hz

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