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​ = 80 mmd2​ = 400 mm1500 rpmT1​ = 500 NT2​ = 125 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 80 mm a 1500 rpm. A tração é de 500 N no lado tracionado e de 125 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmT1 = 500 NT2 = 125 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 20C = 50D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (20 dentes). A engrenagem C (50 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (72 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 18B = 20C = 50D = 72
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 40 mmT = 2000 N·mABC1,2 m0,5 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 1,2 m; o trecho BC tem diâmetro 40 mm e comprimento 0,5 m. Um torque de 2000 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 2000 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,2 md2 = 40 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
d = ?50 kW, 500 rpm

Um eixo maciço de aço transmite 50 kW a 500 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 50 MPa e a torção não pode passar de 0,25° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 50 kWN = 500 rpmτallow = 50 MPaθallow = 0,25°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −80σy​ = 20τxy​ = −60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = −80 MPaσy = 20 MPaτxy = −60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
30°D = 400 mm, t = 5 mm, p = 1,2 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 1,2 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 30° do eixo do cilindro. Encontre a tensão normal σn que atua através da costura de solda.

D = 400 mmt = 5 mmp = 1,2 MPaα = 30°
σn = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmAlumínio2,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 25 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmAlumínio1,5 mØ 12 mmAço2 mP = 35 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre o alongamento total δ.

P = 35 kNtrecho 1: Ø25 mm, 1,5 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 20 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 = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 30 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 = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx50 mm2 ciclos23,5 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 50 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 23,5 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 50 mmx2 = 23,5 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 80m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 25 kN/m e a inferior k₂ = 80 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 50 kgk1 = 25 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,356 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.

Velocidade da correia

v = 6,283 m/s

Potência

P = (500 − 125)·6,283 = 2356 W = 2,356 kW

Resposta

P = 2,356 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 906,3 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 = 1450·18/20 = 1305 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1305·50/72 = 906,3 rpm

Resposta

nout = 906,3 rpm

relação total = 1,6 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 159,2 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.

Tensão em cada trecho

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
τAB = 16·2 × 10⁶/(π·75³) = 24,14 MPa
τBC = 16·2 × 10⁶/(π·40³) = 159,2 MPa

Resposta

τmax = 159,2 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 72,66 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 50000/52,36 = 954,9 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 954,9 N·m = 954930 N·mm
dτ = ∛(16·954930/(π·50)) = 45,99 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 0,25·π/180/1000 = 4,363 × 10⁻⁶ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·954930/(π·80000·4,363 × 10⁻⁶))1/4 = 72,66 mm

Diâmetro determinante

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

d = max(45,99, 72,66) = 72,66 mm

Resposta

d = 72,66 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −64,9 °

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·−60, −80 − 20) = −129,8°

Ângulo no elemento

θp = −64,9°

Resposta

θp = −64,9°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σn = 42 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 = 1,2·200/5 = 48 MPa
σa = pr/(2t) = 24 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 = 24·sin²30° + 48·cos²30° = 42 MPa

Resposta

σn = 42 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,546 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 35·1000/490,9 = 71,3 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 71,3/70000 = 0,001019 = 1019 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,001019·2500 mm = 2,546 mm

Resposta

δ = 2,546 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 4,623 mm

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 71,3 MPa
σ2 = 309,5 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 71,3·1500/70000 = 1,528 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 309,5·2000/200000 = 3,095 mm
δ = δ1 + δ2 = 4,623 mm

Resposta

δ = 4,623 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 6,89 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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/1500² = 6890 N = 6,89 kN

Resposta

Pcr = 6,89 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 6,94 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 = 1·4000 = 4000 mm
KL/r = 4000/7,5 = 533,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/533,3² = 6,94 MPa

Resposta

σcr = 6,94 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,05997

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(50/23,5) = 0,3775

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3775/√(39,48 + 0,1425) = 0,05997

Resposta

ζ = 0,05997
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,106 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/25 + 1/80 → keq = 25·80/(25 + 80) = 19,05 kN/m

Frequência natural

ωn = √(19048/50) = 19,52 rad/s
fn = 19,52/(2π) = 3,106 Hz

Resposta

fn = 3,106 Hz

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