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​ = 32

Um motor de 0,75 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 15 dentes, que engrena com uma engrenagem de 32 dentes. Desconsidere as perdas. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 0,75 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 32η = 100%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm2880 rpmC = 1200 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 160 mm a 2880 rpm a uma polia de 450 mm; os centros estão a 1200 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1500 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmd2 = 450 mmC = 1200 mmμ = 0,25T1 = 1500 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 30 mmd2​ = 20 mmT = 400 N·mABC1 m2 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 30 mm e comprimento 1 m; o trecho BC tem diâmetro 20 mm e comprimento 2 m. Um torque de 400 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 400 N·md1 = 30 mm, L1 = 1 md2 = 20 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?5 kW, 1500 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 5 kW a 1500 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,6 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 5 kWN = 1500 rpmdi/do = 0,6τallow = 60 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 110σy​ = −10τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 110 MPa, σᵧ = −10 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 110 MPaσy = −10 MPaτxy = 20 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície superior do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 30 mm suporta um momento fletor de 750 N·m junto com um torque de 1000 N·m. Na superfície superior, onde a tensão de flexão é de tração e máxima, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 30 mmM = 750 N·mT = 1000 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmLatão1 mP = 10 kN

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

P = 10 kNd = 20 mmL = 1 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAlumínio1 mØ 12 mmAlumínio1 mP = 80 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre a maior tensão normal σmax na barra.

P = 80 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 md = 20 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 145 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 145 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 145 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 15 kN/mζ = 0,6m = 15 kg

Uma massa de 15 kg sobre uma mola com rigidez de 15 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,6. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 15 kgk = 15 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 25k3​ = 20m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada na mola k₃ = 20 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 5 kN/m e k₂ = 25 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 = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 25 kN/mk3 = 20 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/151,8 = 4,939 N·m

Resposta

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

Resposta: P = 18,66 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.

Ângulo de abraçamento

θ = 2,899 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7248 = 2,064, T₂ = 1500/2,064 = 726,6 N

Potência

P = (1500 − 726,6)·24,13 = 18,66 kW

Resposta

P = 18,66 kW
3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 254,6 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 = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·30³) = 75,45 MPa
τBC = 16·400000/(π·20³) = 254,6 MPa

Resposta

τmax = 254,6 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: do = 14,59 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 5000/157,1 = 31,83 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·31831/(π·60·0,8704)) = 14,59 mm
di = 0,6·14,59 = 8,753 mm

Resposta

do = 14,59 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 13,93 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 63,25 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 = √(((110 − −10)/2)² + 20²) = 63,25 MPa

Resposta

τmax = 63,25 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 235,8 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 = 32M/(πd³) = 32·750000/(π·30³) = 282,9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1000000/(π·30³) = 188,6 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 141,5 MPa
R = √(141,5² + 188,6²) = 235,8 MPa

Resposta

τmax = 235,8 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,3183 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 = 10·1000/314,2 = 31,83 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 31,83/100000 = 0,0003183 = 318,3 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0003183·1000 mm = 0,3183 mm

Resposta

δ = 0,3183 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 707,4 MPa

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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 113,2 MPa
σ2 = 707,4 MPa

Maior tensão

O trecho mais fino tem a menor área, então suporta a maior tensão.

σmax = 707,4 MPa

Resposta

σmax = 707,4 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,473 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 = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1250² = 3473 N = 3,473 kN

Resposta

Pcr = 3,473 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 99,04 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 = 2,5·145000 = 362500 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·362500·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 99,04 mm

Resposta

d = 99,04 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 121,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 4,026 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 = √(15000/15) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5,033·√(1 − 0,6²) = 4,026 Hz

Resposta

fd = 4,026 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,513 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 = 5 + 25 = 30 kN/m
keq = 30·20/(30 + 20) = 12 kN/m

Frequência natural

ωn = √(12000/10) = 34,64 rad/s
fn = 34,64/(2π) = 5,513 Hz

Resposta

fn = 5,513 Hz

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