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​ = 25

Um motor de 2,2 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 16 dentes, que engrena com uma engrenagem de 25 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 2,2 kWn1 = 2900 rpmN1 = 16N2 = 25η = 98%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 24B = 50C = 18D = 36

Um motor de 2,2 kW a 1440 rpm aciona a engrenagem A (24 dentes), que engrena com a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (18 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (36 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 2,2 kWnin = 1440 rpmA = 24B = 50C = 18D = 36ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
d = ?T = 1500 N·mL = 0,5 m

Um eixo maciço de latão com 0,5 m de comprimento suporta um torque de 1500 N·m. O ângulo de torção entre suas extremidades não pode passar de 1,5°. Encontre o menor diâmetro d que atende a esse limite.

T = 1500 N·mL = 0,5 mG = 39 GPaφallow = 1,5°
d = mm
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 75 kW a 3000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 75 kWN = 3000 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −70σy​ = −50τxy​ = −30MPa

Um ponto tem σₓ = −70 MPa, σᵧ = −50 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). O elemento é girado 25° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = −70 MPaσy = −50 MPaτxy = −30 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 50 mm suporta uma força axial de compressão de 160 kN junto com um torque de 400 N·m. Na superfície do eixo, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 50 mmF = −160 kNT = 400 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmAlumínio1 mP = 45 kN

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

P = 45 kNd = 20 mmL = 1 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
50 kN12600 mm200 mmØ25Ø30σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de latão (diâmetro 30 mm, comprimento 200 mm, E = 100 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 50 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: latão, Ø30 mm, 200 mm, E = 100 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m40 × 60 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 80 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm1 ciclo8,8 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 8,8 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx1 = 8,8 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 15m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 12 kN/m e k₂ = 15 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 = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 7,244 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 = 2200/303,7 = 7,244 N·m

Resposta

T1 = 7,244 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 54,86 N·m

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.

Velocidade de saída

nout = 1440·(24/50)·(18/36) = 345,6 rpm
ωout = 2π·345,6/60 = 36,19 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 2200·0,95² = 1986 W
Tout = Pout/ωout = 1986/36,19 = 54,86 N·m

Resposta

Tout = 54,86 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: d = 52,3 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.

Momento polar necessário

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 1,5·π/180 = 0,02618 rad
J = TL/(Gφ) = 1,5 × 10⁶·500/(39000·0,02618) = 734561 mm⁴

Diâmetro

d = (32J/π)1/4 = 52,3 mm

Resposta

d = 52,3 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

4.Torção de eixos

Resposta: d = 25,31 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 75000/314,2 = 238,7 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·238732/(π·75)) = 25,31 mm

Resposta

d = 25,31 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = −30,59 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′ = −60 − (−10)·0,6428 − (−30)·0,766 = −30,59 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = −89,41 MPa, σx′ + σy′ = −120 = σx + σy

Resposta

σy′ = −30,59 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 3,139 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.

Tensões na superfície

σ = F/A = −160000/(π·50²/4) = −160000/1963 = −81,49 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·50³) = 16,3 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −40,74 MPa
R = √((−40,74)² + 16,3²) = 43,88 MPa
σ1 = C + R = 3,139 MPa
σ2 = C − R = −84,63 MPa

Resposta

σ1 = 3,139 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,046 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 45·1000/314,2 = 143,2 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 143,2/70000 = 0,002046 = 2046 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,002046·1000 mm = 2,046 mm

Resposta

δ = 2,046 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 48,35 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 = 100000·706,9/200 = 353429 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 50000·353429/517054 = 34177 N

Tensão

σ2 = 34177/706,9 = 48,35 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 48,35 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 17,55 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·3000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/6000² = 17546 N = 17,55 kN

Resposta

Pcr = 17,55 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 44,22 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/20 = 125

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/125² = 44,22 MPa

Resposta

σcr = 44,22 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,02034

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 = (1/1)·ln(10/8,8) = 0,1278

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1278/√(39,48 + 0,01634) = 0,02034

Resposta

ζ = 0,02034
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,23 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 = 12 + 15 = 27 kN/m

Frequência natural

ωn = √(27000/25) = 32,86 rad/s
fn = 32,86/(2π) = 5,23 Hz

Resposta

fn = 5,23 Hz

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