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​ = 25

Um motor de 0,75 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 15 dentes, que engrena com uma engrenagem de 25 dentes. Desconsidere as perdas. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 0,75 kWn1 = 960 rpmN1 = 15N2 = 25η = 100%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 1000 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 200 mm a 720 rpm a uma polia de 500 mm; os centros estão a 1000 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,35 e a tração no lado tracionado não pode exceder 600 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 200 mmn1 = 720 rpmd2 = 500 mmC = 1000 mmμ = 0,35T1 = 600 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 250 N·mABC1 m1 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 60 mm e comprimento 1 m; o trecho BC tem diâmetro 50 mm e comprimento 1 m. Um torque de 250 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 250 N·md1 = 60 mm, L1 = 1 md2 = 50 mm, L2 = 1 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 5 kW a 3000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 5 kWN = 3000 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 130σy​ = 10τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 130 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 130 MPaσy = 10 MPaτxy = 10 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 40σy​ = 100τxy​ = 10MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 40 MPa, σᵧ = 100 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 Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = 40 MPaσy = 100 MPaτxy = 10 MPaσY = 420 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmLatão2,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 20 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
30 kN12400 mm400 mmØ40Ø40σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) e um trecho de latão (diâmetro 40 mm, comprimento 400 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, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø40 mm, 400 mm, E = 100 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 md = 25 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 30 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 12 kN/mc = 40 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 40 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 5 kgk = 12 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 50m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 10 kN/m e a inferior k₂ = 50 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 10 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 7,46 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/100,5 = 7,46 N·m

Resposta

T1 = 7,46 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,85 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 = 2,84 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,9942 = 2,702, T₂ = 600/2,702 = 222 N

Potência

P = (600 − 222)·7,54 = 2,85 kW

Resposta

P = 2,85 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 0,4325 °

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·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 250 N·m = 250000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 250000·1000/(80000·1,272 × 10⁶) = 0,002456 rad
φBC = 250000·1000/(80000·613592) = 0,005093 rad

Torção total

φC = 0,002456 + 0,005093 = 0,007549 rad = 0,4325°

Resposta

φC = 0,4325°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 11,75 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 5000/314,2 = 15,92 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·15915/(π·50)) = 11,75 mm

Resposta

d = 11,75 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 60,83 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 = √(((130 − 10)/2)² + 10²) = 60,83 MPa

Resposta

τmax = 60,83 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 4,133

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 = 70 MPa, R = 31,62 MPa
σ1 = 101,6 MPa, σ2 = 38,38 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 101,6 MPa
n = 420/101,6 = 4,133

Resposta

n = 4,133

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

7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 2228 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 70·1000/314,2 = 222,8 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 222,8/100000 = 0,002228 = 2228 µε

Resposta

ε = 2228 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 7,958 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 = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 100000·1257/400 = 314159 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 30000·314159/942478 = 10000 N

Tensão

σ2 = 10000/1257 = 7,958 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 7,958 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 6,056 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2500² = 6056 N = 6,056 kN

Resposta

Pcr = 6,056 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/7,5 = 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 = 0,08165

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 = 40/489,9 = 0,08165

Resposta

ζ = 0,08165

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,906 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 = 1/10 + 1/50 → keq = 10·50/(10 + 50) = 8,333 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8333/25) = 18,26 rad/s
fn = 18,26/(2π) = 2,906 Hz

Resposta

fn = 2,906 Hz

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