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​ = 12N2​ = 36

Um motor de 1,5 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 12 dentes, que engrena com uma engrenagem de 36 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 1,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 36η = 96%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 60C = 16D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes), no eixo de entrada girando a 1500 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (16 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 = 1500 rpmA = 16B = 60C = 16D = 72
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 30 mmd2​ = 25 mmT = 250 N·mABC1,2 m3 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 30 mm e comprimento 1,2 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 3 m. Um torque de 250 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 250 N·md1 = 30 mm, L1 = 1,2 md2 = 25 mm, L2 = 3 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 50 kW a 500 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 50 kWN = 500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 90σy​ = 120τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 90 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 90 MPaσy = 120 MPaτxy = −30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = −60τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = −10 MPa, σᵧ = −60 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (σz = 0). Encontre a tensão equivalente de von Mises σvM.

σx = −10 MPaσy = −60 MPaτxy = 40 MPa
σvM = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmAlumínio2 mP = 85 kN

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

P = 85 kNd = 20 mmL = 2 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmCobre1,5 mØ 12 mmAço0,5 mP = 20 kN

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

P = 20 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 md = 25 mmseção transversal

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

L = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 4 kN/mc = 140 N·s/mm = 5 kg

Uma massa de 5 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 4 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 140 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 5 kgk = 4 kN/mc = 140 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 60k3​ = 80m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada na mola k₃ = 80 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 15 kN/m e k₂ = 60 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 = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 4,939 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 = 1500/303,7 = 4,939 N·m

Resposta

T1 = 4,939 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 88,89 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 = 1500·16/60 = 400 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 400·16/72 = 88,89 rpm

Resposta

nout = 88,89 rpm

relação total = 16,88 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 81,49 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 = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·30³) = 47,16 MPa
τBC = 16·250000/(π·25³) = 81,49 MPa

Resposta

τmax = 81,49 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 39,32 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 a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·954930/(π·80)) = 39,32 mm

Resposta

d = 39,32 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 33,54 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.

σxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((90 − 120)/2)² + −30²) = 33,54 MPa

Resposta

τmax = 33,54 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σvM = 88,88 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. Critérios de escoamento: von Mises prevê escoamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atinge σY; Tresca quando a tensão de cisalhamento máxima absoluta atinge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = −35 MPa, R = 47,17 MPa
σ1 = 12,17 MPa, σ2 = −82,17 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(12,17² − 12,17·(−82,17) + (−82,17)²) = 88,88 MPa

Resposta

σvM = 88,88 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 3865 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 85·1000/314,2 = 270,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 270,6/70000 = 0,003865 = 3865 µε

Resposta

ε = 3865 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,6461 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 15,92 MPa
σ2 = 176,8 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 15,92·1500/117000 = 0,204 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 176,8·500/200000 = 0,4421 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,6461 mm

Resposta

δ = 0,6461 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 4,828 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2800² = 4828 N = 4,828 kN

Resposta

Pcr = 4,828 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 21,93 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/300² = 21,93 MPa

Resposta

σcr = 21,93 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,495

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(4000·5) = 282,8 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 140/282,8 = 0,495

Resposta

ζ = 0,495

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 14 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 = 15 + 60 = 75 kN/m
keq = 75·80/(75 + 80) = 38,71 kN/m

Frequência natural

ωn = √(38710/5) = 87,99 rad/s
fn = 87,99/(2π) = 14 Hz

Resposta

fn = 14 Hz

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