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

a = 240 mmm = 4 mmi = 4
N2 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm960 rpmC = 1000 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 120 mm a 960 rpm a uma polia de 200 mm; os centros estão a 1000 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 2000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmd2 = 200 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 30 mmL = 1,2 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 500 N·md = 30 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 20 kW a 300 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 20 kWN = 300 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −60σy​ = 20τxy​ = −10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −60 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = −60 MPaσy = 20 MPaτxy = −10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 40σy​ = 10τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 40 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 40 MPaσy = 10 MPaτxy = −40 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAlumínio1 mP = 30 kN

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

P = 30 kNd = 12 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
80 kN12600 mm200 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 40 mm, comprimento 200 mm, E = 110 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 80 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø40 mm, 200 mm, E = 110 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m30 × 50 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 = 2,5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2 md = 30 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 50 kN/mζ = 0,6m = 250 kg

Uma massa de 250 kg sobre uma mola com rigidez de 50 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,6. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 250 kgk = 50 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 100m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 10 kN/m e k₂ = 100 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 = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 100 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N2 = 96

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 = 2·240/4 = 120

Divida pela relação

N1 = 120/(1 + 4) = 24
N2 = 4·24 = 96

Resposta

N2 = 96
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 7,249 kW

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 de abraçamento

θ = 3,062 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,9185 = 2,505, T₂ = 2000/2,505 = 798,3 N

Potência

P = (2000 − 798,3)·6,032 = 7,249 kW

Resposta

P = 7,249 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 16,63 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1200/(26000·79522) = 0,2902 rad
φ = 0,2902·180/π = 16,63°

Resposta

φ = 16,63°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 35,1 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 20000/31,42 = 636,6 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·636620/(π·75)) = 35,1 mm

Resposta

d = 35,1 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 41,23 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 − 20)/2)² + −10²) = 41,23 MPa

Resposta

τmax = 41,23 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −15 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 = 25 + 15·0 + −40·1 = −15 MPa

Resposta

σθ = −15 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 3789 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 = 30·1000/113,1 = 265,3 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 265,3/70000 = 0,003789 = 3789 µε

Resposta

ε = 3789 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 51,48 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 = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 110000·1257/200 = 691150 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 80000·691150/854775 = 64686 N

Tensão

σ2 = 64686/1257 = 51,48 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 51,48 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 142,1 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 = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/1250² = 142122 N = 142,1 kN

Resposta

Pcr = 142,1 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 111 MPa

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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·2000 = 1000 mm
KL/r = 1000/7,5 = 133,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/133,3² = 111 MPa

Resposta

σcr = 111 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,801 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 = √(50000/250) = 14,14 rad/s
fn = 14,14/(2π) = 2,251 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,251·√(1 − 0,6²) = 1,801 Hz

Resposta

fd = 1,801 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 23,61 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 = 10 + 100 = 110 kN/m

Frequência natural

ωn = √(110000/5) = 148,3 rad/s
fn = 148,3/(2π) = 23,61 Hz

Resposta

fn = 23,61 Hz

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