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​ = 15N2​ = 50

Um motor de 7,5 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 15 dentes, que engrena com uma engrenagem de 50 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 7,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 15N2 = 50η = 97%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 15nr​ = ?Np​ = 20porta-satélites fixo

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 15 dentes e cada satélite tem 20 dentes. O porta-satélites é mantido fixo e a solar é acionada a 1440 rpm. Encontre a rotação nr da coroa (em módulo).

Ns = 15Np = 20ns = 1440 rpm
nr = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 50 mmL = 1,2 mφ = ?

Um eixo maciço de latão está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 500 N·md = 50 mmL = 1,2 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 15 kW a 750 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 15 kWN = 750 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 0σy​ = −20τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 0 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 0 MPaσy = −20 MPaτxy = −40 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 100σy​ = 20τxy​ = −10MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 100 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 420 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de von Mises (energia de distorção).

σx = 100 MPaσy = 20 MPaτxy = −10 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmLatão0,5 mP = 120 kN

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

P = 120 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmLatão1 mØ 16 mmLatão2 mP = 15 kN

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

P = 15 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 2 m, latão (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 40 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 80 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mζ = 0,45m = 40 kg

Uma massa de 40 kg sobre uma mola com rigidez de 150 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 40 kgk = 150 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 40m = 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 = 40 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 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 160,8 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 = 7500/150,8 = 49,74 N·m

Torque de saída

T2 = 49,74·50/15·0,97 = 160,8 N·m

Resposta

T2 = 160,8 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nr = 392,7 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·20 = 55

Equação de Willis com o porta-satélites fixo

Com nc = 0 a solar aciona a coroa através dos satélites, que funcionam como engrenagens intermediárias.

nr = −ns·Ns/Nr = −1440·15/55 = −392,7 rpm
|nr| = 392,7 rpm

Resposta

nr = 392,7 rpm

A coroa gira no sentido oposto ao da solar.

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,437 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1200/(39000·613592) = 0,02507 rad
φ = 0,02507·180/π = 1,437°

Resposta

φ = 1,437°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 22,99 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 15000/78,54 = 191 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·190986/(π·80)) = 22,99 mm

Resposta

d = 22,99 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 41,23 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((0 − −20)/2)² + −40²) = 41,23 MPa

Resposta

τmax = 41,23 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 4,503

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 = 60 MPa, R = 41,23 MPa
σ1 = 101,2 MPa, σ2 = 18,77 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(101,2² − 101,2·18,77 + 18,77²) = 93,27 MPa
n = 420/93,27 = 4,503

Resposta

n = 4,503

n > 1 significa que o ponto não escoa; Tresca é um pouco mais conservador que von Mises.

7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 5968 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 120·1000/201,1 = 596,8 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 596,8/100000 = 0,005968 = 5968 µε

Resposta

ε = 5968 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 1,704 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 21,22 MPa
σ2 = 74,6 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 21,22·1000/100000 = 0,2122 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 74,6·2000/100000 = 1,492 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,704 mm

Resposta

δ = 1,704 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 19,69 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/2100² = 19687 N = 19,69 kN

Resposta

Pcr = 19,69 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 179 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 = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/20 = 105

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/105² = 179 MPa

Resposta

σcr = 179 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 8,704 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 = √(150000/40) = 61,24 rad/s
fn = 61,24/(2π) = 9,746 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 9,746·√(1 − 0,45²) = 8,704 Hz

Resposta

fd = 8,704 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 = 1/25 + 1/40 → keq = 25·40/(25 + 40) = 15,38 kN/m

Frequência natural

ωn = √(15385/50) = 17,54 rad/s
fn = 17,54/(2π) = 2,792 Hz

Resposta

fn = 2,792 Hz

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