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​ = 16N2​ = 72

Um motor de 3 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 16 dentes, que engrena com uma engrenagem de 72 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 16N2 = 72η = 97%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 36C = 60D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes) no eixo de entrada gira a 2880 rpm e aciona a engrenagem B (36 dentes). A engrenagem C (60 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 720 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 2880 rpmA = 12B = 36C = 60nout = 720 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
do​ = 75, di​ = 45 mmT = 1000 N·mL = 1,2 m

Um eixo vazado de aço (diâmetro externo 75 mm, diâmetro interno 45 mm, comprimento 1,2 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 1000 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 1000 N·mdo = 75 mmdi = 45 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = ?15 kW, 1450 rpm

Um eixo maciço de latão transmite 15 kW a 1450 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa e a torção não pode passar de 0,5° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 15 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPaθallow = 0,5°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 150σy​ = 0τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 150 MPa, σᵧ = 0 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 150 MPaσy = 0 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −80σy​ = 120τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 50° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −80 MPaσy = 120 MPaτxy = 20 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAlumínio2,5 mP = 25 kN

Encontre a deformação axial ε na barra de alumínio, em microdeformação (µε = 10⁻⁶).

P = 25 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø25110 GPaØ80/60800 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 250 MPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 110 GPa, tensão admissível 50 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m25 × 60 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 50 kNL = 4 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 50 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 50 kNn = 3L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm2 ciclos6 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx2 = 6 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 12m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 20 kN/m e k₂ = 12 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 43,12 N·m

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.

Torque do motor

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/303,7 = 9,879 N·m

Torque de saída

T2 = 9,879·72/16·0,97 = 43,12 N·m

Resposta

T2 = 43,12 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 80

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.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 2880·12/36 = 960 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 60·960/720 = 80

Resposta

ND = 80
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,3179 °

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(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Ângulo de torção

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 1,2 m = 1200 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·1200/(80000·2,704 × 10⁶) = 0,005548 rad
φ = 0,005548·180/π = 0,3179°

Resposta

φ = 0,3179°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 41,47 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 98,79 N·m = 98786 N·mm
dτ = ∛(16·98786/(π·60)) = 20,32 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 0,5·π/180/1000 = 8,727 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·98786/(π·39000·8,727 × 10⁻⁶))1/4 = 41,47 mm

Diâmetro determinante

Os dois limites devem ser atendidos, então o maior diâmetro governa.

d = max(20,32, 41,47) = 41,47 mm

Resposta

d = 41,47 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 7,466 °

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(2·20, 150 − 0) = 14,93°

Ângulo no elemento

θp = 7,466°

Resposta

θp = 7,466°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 57,06 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

σθ = 20 + −100·−0,1736 + 20·0,9848 = 57,06 MPa

Resposta

σθ = 57,06 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 3158 µε

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 25·1000/113,1 = 221 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 221/70000 = 0,003158 = 3158 µε

Resposta

ε = 3158 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 154,6 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·2199 = 3,401 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,00125, 0,0004545) = 0,0004545 (bronze)

Maior carga

Pmax = 0,0004545·3,401 × 10⁸ = 154581 N = 154,6 kN

Resposta

Pmax = 154,6 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 5,997 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·3000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/3000² = 5997 N = 5,997 kN

Resposta

Pcr = 5,997 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 64,86 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 = 3·50000 = 150000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 64,86 mm

Resposta

d = 64,86 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 123,4, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,04062

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(10/6) = 0,2554

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2554/√(39,48 + 0,06524) = 0,04062

Resposta

ζ = 0,04062
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 32 kN/m

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 = 20 + 12 = 32 kN/m

Resposta

keq = 32 kN/m

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