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​ = ?N2​

Dois eixos paralelos estão a 72 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 3 mm e redução de 2 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?

a = 72 mmm = 3 mmi = 2
N1 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 20C = 32D = 60

Um motor de 7,5 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (16 dentes), que engrena com a engrenagem B (20 dentes). A engrenagem C (32 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (60 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 96%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 7,5 kWnin = 960 rpmA = 16B = 20C = 32D = 60ηmesh = 96%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 50 mmd2​ = 40 mmT = 400 N·mABC2,5 m1,5 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 50 mm e comprimento 2,5 m; o trecho BC tem diâmetro 40 mm e comprimento 1,5 m. Um torque de 400 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 400 N·md1 = 50 mm, L1 = 2,5 md2 = 40 mm, L2 = 1,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 60 mmTB​ = 1500 N·mTC​ = 100 N·mABC0,8 m1,2 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 60 mm está fixo em A. Um torque de 1500 N·m atua em B, a 0,8 m de A, e um torque de 100 N·m no sentido oposto atua na extremidade livre C, 1,2 m adiante. Encontre o módulo do ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

d = 60 mmTB = 1500 N·mTC = 100 N·mAB = 0,8 mBC = 1,2 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = −30MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 140 MPa e σᵧ = −30 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 200 MPa?

σx = 140 MPaσy = −30 MPaσ1 = 200 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 110σy​ = 120τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 110 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 40° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 110 MPaσy = 120 MPaτxy = 20 MPaθ = 40°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmCobre1 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 30 mmL = 1 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAlumínio1 mØ 16 mmAço2 mP = 120 kN

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

P = 120 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 2 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 md = 50 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 = 5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 60 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx12 mm1 ciclo9,9 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 12 mm é seguido, um ciclo depois, por um pico de 9,9 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 12 mmx1 = 9,9 mmn = 1
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 50k2​ = 10m = 40 kg

Uma massa de 40 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 = 10 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 40 kgk1 = 50 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N1 = 16

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·72/3 = 48

Divida pela relação

N1 = 48/(1 + 2) = 16

Resposta

N1 = 16
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 161,1 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidade de saída

nout = 960·(16/20)·(32/60) = 409,6 rpm
ωout = 2π·409,6/60 = 42,89 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 7500·0,96² = 6912 W
Tout = Pout/ωout = 6912/42,89 = 161,1 N·m

Resposta

Tout = 161,1 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 2,877 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴
J2 = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 400 N·m = 400000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 400000·2500/(80000·613592) = 0,02037 rad
φBC = 400000·1500/(80000·251327) = 0,02984 rad

Torção total

φC = 0,02037 + 0,02984 = 0,05021 rad = 2,877°

Resposta

φC = 2,877°
4.Torção de eixos

Resposta: φC = 1,155 °

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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 100 N·m
TAB = TC − TB = 100 − 1500 = −1400 N·m

Torção de cada trecho

J = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = −1,4 × 10⁶·800/(39000·1,272 × 10⁶) = −0,02257 rad
φBC = 100000·1200/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,002418 rad

Torção da extremidade C

φC = −0,02257 + 0,002418 = −0,02015 rad → |φC| = 1,155°

Resposta

φC = 1,155°
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 117,5 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.

Raio necessário

C = (140 + (−30))/2 = 55 MPa
R = σ1 − C = 200 − 55 = 145 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(145² − 85²) = 117,5 MPa

Resposta

τxy = 117,5 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 8,397 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 = −−5·0,9848 + 20·0,1736 = 8,397 MPa

Resposta

τθ = 8,397 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,4232 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 35·1000/706,9 = 49,51 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 49,51/117000 = 0,0004232 = 423,2 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0004232·1000 mm = 0,4232 mm

Resposta

δ = 0,4232 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 596,8 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 169,8 MPa
σ2 = 596,8 MPa

Maior tensão

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

σmax = 596,8 MPa

Resposta

σmax = 596,8 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 17,3 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/3500² = 17303 N = 17,3 kN

Resposta

Pcr = 17,3 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 17,77 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/15 = 333,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/333,3² = 17,77 MPa

Resposta

σcr = 17,77 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,0306

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/1)·ln(12/9,9) = 0,1924

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,1924/√(39,48 + 0,03701) = 0,0306

Resposta

ζ = 0,0306
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,297 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 + 1/10 → keq = 50·10/(50 + 10) = 8,333 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8333/40) = 14,43 rad/s
fn = 14,43/(2π) = 2,297 Hz

Resposta

fn = 2,297 Hz

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