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​ = 24N2​ = 60

Um motor de 4 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 60 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 4 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 60η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm1500 rpmC = 600 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 200 mm e uma polia de 400 mm cujos centros estão a 600 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 200 mmd2 = 400 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 60 mmT = 100 N·mABC2 m1,2 m

Um eixo maciço escalonado de alumínio está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 2 m; o trecho BC tem diâmetro 60 mm e comprimento 1,2 m. Um torque de 100 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 100 N·md1 = 75 mm, L1 = 2 md2 = 60 mm, L2 = 1,2 mG = 26 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 35 mm

Um eixo vazado transmite 100 kW a 1450 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 100 kWN = 1450 rpmdo = 50 mmdi = 35 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 10σy​ = 40τxy​ = −40MPa

Um ponto tem σₓ = 10 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). O elemento é girado 20° no sentido horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 10 MPaσy = 40 MPaτxy = −40 MPaθ = -20°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 90σy​ = 80τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 90 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 460 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de von Mises (energia de distorção).

σx = 90 MPaσy = 80 MPaτxy = −30 MPaσY = 460 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmCobre0,5 mP = 105 kN

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

P = 105 kNd = 25 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12300 mm200 mmØ20Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de latão (diâmetro 50 mm, comprimento 200 mm, E = 100 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø50 mm, 200 mm, E = 100 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m20 × 100 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 = 4 mE = 200 GPa (aço)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 70 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 70 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 70 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 12 kN/mc = 100 N·s/mm = 5 kg

Uma massa de 5 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 12 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 100 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 5 kgk = 12 kN/mc = 100 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 10k3​ = 30m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada na mola k₃ = 30 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 = 10 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 = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 31,61 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 = 4000/303,7 = 13,17 N·m

Torque de saída

T2 = 13,17·60/24·0,96 = 31,61 N·m

Resposta

T2 = 31,61 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 160,8 °

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 da correia

asin(0,1667) = 9,594°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·9,594 = 160,8°

Resposta

θ = 160,8°
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 0,3497 °

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.

Momentos polares

J1 = π·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴

Torção de cada trecho

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 100000·2000/(26000·3,106 × 10⁶) = 0,002476 rad
φBC = 100000·1200/(26000·1,272 × 10⁶) = 0,003627 rad

Torção total

φC = 0,002476 + 0,003627 = 0,006104 rad = 0,3497°

Resposta

φC = 0,3497°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 35,31 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.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 100000/151,8 = 658,6 N·m

Momento polar de inércia

J = π(50⁴ − 35⁴)/32 = 466269 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 658572·25/466269 = 35,31 MPa

Resposta

τmax = 35,31 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 10,78 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′ = 25 − (−15)·0,766 − (−40)·(−0,6428) = 10,78 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 39,22 MPa, σx′ + σy′ = 50 = σx + σy

Resposta

σy′ = 10,78 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 4,6

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.

σxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 85 MPa, R = 30,41 MPa
σ1 = 115,4 MPa, σ2 = 54,59 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(115,4² − 115,4·54,59 + 54,59²) = 100 MPa
n = 460/100 = 4,6

Resposta

n = 4,6

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

7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,9141 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 105·1000/490,9 = 213,9 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 213,9/117000 = 0,001828 = 1828 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,001828·500 mm = 0,9141 mm

Resposta

δ = 0,9141 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 25,18 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 = 200000·314,2/300 = 209440 N/mm
k₂ = 100000·1963/200 = 981748 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·981748/1,191 × 10⁶ = 49451 N

Tensão

σ2 = 49451/1963 = 25,18 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 25,18 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 16,79 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 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/2800² = 16785 N = 16,79 kN

Resposta

Pcr = 16,79 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 42,46 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 = 2·70000 = 140000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·140000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 42,46 mm

Resposta

d = 42,46 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 141,3, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,2041

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·√(12000·5) = 489,9 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 100/489,9 = 0,2041

Resposta

ζ = 0,2041

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 1,592 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 + 10 = 15 kN/m
keq = 15·30/(15 + 30) = 10 kN/m

Frequência natural

ωn = √(10000/100) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Resposta

fn = 1,592 Hz

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