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​ = 160 mmd2​ = 400 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 160 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 400 mm por uma correia com 2,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 160 mmd2 = 400 mms = 2,5 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 20B = 32C = 20D = 40

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (20 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (40 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 20B = 32C = 20D = 40
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
do​ = 75, di​ = 45 mmT = 250 N·mL = 2,5 m

Um eixo vazado de latão (diâmetro externo 75 mm, diâmetro interno 45 mm, comprimento 2,5 m) está fixo em uma extremidade e é torcido por um torque de 250 N·m na outra. Encontre o ângulo de torção φ em graus.

T = 250 N·mdo = 75 mmdi = 45 mmL = 2,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 30 mmT0​ = 1000 N·mACBa = 1,2 mb = 1,5 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 30 mm está fixo a paredes rígidas nas duas extremidades A e B. Um torque de 1000 N·m é aplicado em C, a 1,2 m de A e a 1,5 m de B. Encontre o torque de reação TA na parede A.

d = 30 mmT0 = 1000 N·ma = 1,2 mb = 1,5 m
TA = N·m
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 30σy​ = 50τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 30 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 30 MPaσy = 50 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 20σy​ = 40τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 20 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 50° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 20 MPaσy = 40 MPaτxy = 10 MPaθ = 50°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAlumínio0,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNd = 12 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
30 kN12500 mm300 mmØ30Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) e um trecho de latão (diâmetro 50 mm, comprimento 300 mm, E = 100 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, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø50 mm, 300 mm, E = 100 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m20 × 50 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 = 4 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 40 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mc = 3790 N·s/mm = 150 kg

Uma massa de 150 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 150 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 3790 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 150 kgk = 150 kN/mc = 3790 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 80k3​ = 50m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada na mola k₃ = 50 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 = 80 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 = 40 kgk1 = 15 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 561,6 rpm

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 sem escorregamento

1440·160/400 = 576 rpm

Com escorregamento

n2 = 576·0,975 = 561,6 rpm

Resposta

n2 = 561,6 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 937,5 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 = 3000·20/32 = 1875 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1875·20/40 = 937,5 rpm

Resposta

nout = 937,5 rpm

relação total = 3,2 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,3396 °

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(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Ângulo de torção

T = 250 N·m = 250000 N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = TL/(GJ) = 250000·2500/(39000·2,704 × 10⁶) = 0,005927 rad
φ = 0,005927·180/π = 0,3396°

Resposta

φ = 0,3396°
4.Torção de eixos

Resposta: TA = 555,6 N·m

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. Quando as duas extremidades estão fixas, a estática sozinha dá apenas TA + TB = T₀; a segunda equação é a compatibilidade (torções iguais das duas partes na seção carregada).

Equilíbrio e compatibilidade

TA + TB = 1000
TA·a = TB·b
TA = 1000·1,5/2,7 = 555,6 N·m
TB = 1000·1,2/2,7 = 444,4 N·m

Resposta

TA = 555,6 N·m
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 31,62 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 = √(((30 − 50)/2)² + 30²) = 31,62 MPa

Resposta

τmax = 31,62 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 8,112 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

τθ = −−10·0,9848 + 10·−0,1736 = 8,112 MPa

Resposta

τθ = 8,112 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 12000 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 95·1000/113,1 = 840 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 840/70000 = 0,012 = 12000 µε

Resposta

ε = 12000 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 10,67 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 = 200000·706,9/500 = 282743 N/mm
k₂ = 100000·1963/300 = 654498 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 30000·654498/937242 = 20950 N

Tensão

σ2 = 20950/1963 = 10,67 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 10,67 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 5,757 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/2000² = 5757 N = 5,757 kN

Resposta

Pcr = 5,757 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 5,64 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 = 0,7·5000 = 3500 mm
KL/r = 3500/10 = 350

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/350² = 5,64 MPa

Resposta

σcr = 5,64 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,3995

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·√(150000·150) = 9487 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 3790/9487 = 0,3995

Resposta

ζ = 0,3995

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,555 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 + 80 = 95 kN/m
keq = 95·50/(95 + 50) = 32,76 kN/m

Frequência natural

ωn = √(32759/40) = 28,62 rad/s
fn = 28,62/(2π) = 4,555 Hz

Resposta

fn = 4,555 Hz

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