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​ = 200 mmd2​ = 315 mm2880 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 200 mm a 2880 rpm. A tração é de 600 N no lado tracionado e de 150 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 200 mmn1 = 2880 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 48B = 72C = 20D = 80

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (48 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (80 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 48B = 72C = 20D = 80
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d = ?T = 100 N·mL = 0,5 m

Um eixo maciço de aço com 0,5 m de comprimento suporta um torque de 100 N·m. O ângulo de torção entre suas extremidades não pode passar de 2°. Encontre o menor diâmetro d que atende a esse limite.

T = 100 N·mL = 0,5 mG = 80 GPaφallow = 2°
d = mm
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?20 kW, 3000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 20 kW a 3000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,5 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 20 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,5τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 20σy​ = 90τxy​ = −20MPa

Um ponto tem σₓ = 20 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Encontre o ângulo θs, entre −90° e 90°, do eixo x até a normal do plano em que a tensão de cisalhamento tem seu valor máximo positivo +R (cisalhamento positivo no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 20 MPaσy = 90 MPaτxy = −20 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
40°D = 600 mm, t = 8 mm, p = 2 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 600 mm e espessura de parede de 8 mm contém gás a uma pressão manométrica de 2 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 40° do eixo do cilindro. Encontre o módulo da tensão de cisalhamento |τn| que atua ao longo da costura de solda.

D = 600 mmt = 8 mmp = 2 MPaα = 40°
|τn| = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
300 kNØ3070 GPaØ80/60500 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 70 GPa). Ambos têm 500 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 300 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 300 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
30 kN12300 mm500 mmØ25Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 50 mm, comprimento 500 mm, E = 110 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 30 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø50 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m20 × 60 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 85 kNL = 6 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 85 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 85 kNn = 2,5L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 40 kN/mζ = 0,35m = 2 kg

Uma massa de 2 kg sobre uma mola com rigidez de 40 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 2 kgk = 40 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 80m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 50 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 = 100 kgk1 = 50 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 13,57 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 = 30,16 m/s

Potência

P = (600 − 150)·30,16 = 13572 W = 13,57 kW

Resposta

P = 13,57 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 241,7 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 = 1450·48/72 = 966,7 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 966,7·20/80 = 241,7 rpm

Resposta

nout = 241,7 rpm

relação total = 6 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: d = 20,67 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 = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 0,5 m = 500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 2·π/180 = 0,03491 rad
J = TL/(Gφ) = 100000·500/(80000·0,03491) = 17905 mm⁴

Diâmetro

d = (32J/π)1/4 = 20,67 mm

Resposta

d = 20,67 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

4.Torção de eixos

Resposta: do = 17,93 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 = 20000/314,2 = 63,66 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 63,66 N·m = 63662 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·63662/(π·60·0,9375)) = 17,93 mm
di = 0,5·17,93 = 8,965 mm

Resposta

do = 17,93 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 17,55 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θs = 59,87 °

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​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr o ponto do topo (+R) está a 90° do ponto principal σ₁; no elemento isso corresponde a 45°.

cos 2θs = −20/40,31 = −0,4961, sin 2θs = −(−35)/40,31 = 0,8682
2θs = atan2(35, −20) = 119,7°

Ângulo no elemento

θs = 59,87°
verificação: θs − θp = 59,87 − (−75,13) = 135°

Resposta

θs = 59,87°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: |τn| = 18,47 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 = 600/2 = 300 mm
σh = pr/t = 2·300/8 = 75 MPa
σa = pr/(2t) = 37,5 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.

|τn| = (75 − 37,5)·sin 40°·cos 40° = 18,47 MPa

Resposta

|τn| = 18,47 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,5079 mm

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.

Áreas

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·2199 = 2,953 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 300000·500/2,953 × 10⁸ = 0,5079 mm

Resposta

δ = 0,5079 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 8,693 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 = 200000·490,9/300 = 327249 N/mm
k₂ = 110000·1963/500 = 431969 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 30000·431969/759218 = 17069 N

Tensão

σ2 = 17069/1963 = 8,693 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 8,693 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 40,28 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/1400² = 40284 N = 40,28 kN

Resposta

Pcr = 40,28 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 173,3 mm

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.

Carga crítica necessária

Pcr = n·P = 2,5·85000 = 212500 N
KL = 2·6000 = 12000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·212500·12000²/(π³·70000))^(1/4) = 173,3 mm

Resposta

d = 173,3 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 277, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 21,08 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 = √(40000/2) = 141,4 rad/s
fn = 141,4/(2π) = 22,51 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 22,51·√(1 − 0,35²) = 21,08 Hz

Resposta

fd = 21,08 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,792 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 = 1/50 + 1/80 → keq = 50·80/(50 + 80) = 30,77 kN/m

Frequência natural

ωn = √(30769/100) = 17,54 rad/s
fn = 17,54/(2π) = 2,792 Hz

Resposta

fn = 2,792 Hz

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