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​ = 36

Um motor de 5,5 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 16 dentes, que engrena com uma engrenagem de 36 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 5,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 16N2 = 36η = 98%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm1450 rpmC = 800 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 200 mm e uma polia de 315 mm cujos centros estão a 800 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 800 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
do​ = 40, di​ = 20 mmT = 250 N·mL = 0,5 m

Um eixo vazado de alumínio (diâmetro externo 40 mm, diâmetro interno 20 mm, comprimento 0,5 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 = 40 mmdi = 20 mmL = 0,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?50 kW, 1450 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 50 kW a 1450 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,6 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 50 kWN = 1450 rpmdi/do = 0,6τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −10σy​ = −80τxy​ = 50MPa

Um ponto tem σₓ = −10 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). O elemento é girado 20° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = −10 MPaσy = −80 MPaτxy = 50 MPaθ = 20°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 20σy​ = 20τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 20 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −40 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 = 20 MPaσy = 20 MPaτxy = −40 MPaθ = 50°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmLatão2 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 30 mmL = 2 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão0,5 mØ 16 mmAço1 mP = 65 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre a maior tensão normal σmax na barra.

P = 65 kNtrecho 1: Ø25 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m20 × 50 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 = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 60 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx15 mm3 ciclos2,3 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 15 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 2,3 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 15 mmx3 = 2,3 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 100m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 50 kN/m e k₂ = 100 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 20 kgk1 = 50 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 80,42 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/150,8 = 36,47 N·m

Torque de saída

T2 = 36,47·36/16·0,98 = 80,42 N·m

Resposta

T2 = 80,42 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 171,8 °

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(0,07187) = 4,122°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·4,122 = 171,8°

Resposta

θ = 171,8°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,169 °

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(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

Ângulo de torção

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·500/(26000·235619) = 0,0204 rad
φ = 0,0204·180/π = 1,169°

Resposta

φ = 1,169°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 31,79 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 = 50000/151,8 = 329,3 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 329,3 N·m = 329286 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·329286/(π·60·0,8704)) = 31,79 mm
di = 0,6·31,79 = 19,07 mm

Resposta

do = 31,79 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 30,35 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = −104 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′ = −45 − 35·0,766 − 50·0,6428 = −104 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 13,95 MPa, σx′ + σy′ = −90 = σx + σy

Resposta

σy′ = −104 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −19,39 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 + 0·−0,1736 + −40·0,9848 = −19,39 MPa

Resposta

σθ = −19,39 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,829 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 100·1000/706,9 = 141,5 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 141,5/100000 = 0,001415 = 1415 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,001415·2000 mm = 2,829 mm

Resposta

δ = 2,829 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 323,3 MPa

Barras com carga axial: cada trecho prismático obedece a δ = PL/(AE). Para barras em série, os alongamentos se somam.

A mesma força nos dois trechos

A extremidade livre suporta P, então toda seção da barra suporta a mesma força axial P. Só as áreas e os materiais mudam.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 132,4 MPa
σ2 = 323,3 MPa

Maior tensão

O trecho mais fino tem a menor área, então suporta a maior tensão.

σmax = 323,3 MPa

Resposta

σmax = 323,3 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,685 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·2500 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/2500² = 3685 N = 3,685 kN

Resposta

Pcr = 3,685 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 49,35 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa

Resposta

σcr = 49,35 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,09899

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 = (1/3)·ln(15/2,3) = 0,625

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,625/√(39,48 + 0,3907) = 0,09899

Resposta

ζ = 0,09899
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 150 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 = 50 + 100 = 150 kN/m

Resposta

keq = 150 kN/m

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