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​ = 120 mmd2​ = 400 mm720 rpmT1​ = 500 NT2​ = 100 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 120 mm a 720 rpm. A tração é de 500 N no lado tracionado e de 100 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 120 mmn1 = 720 rpmT1 = 500 NT2 = 100 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 40B = 48C = 16D = 25

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (40 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (48 dentes). A engrenagem C (16 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 2900 rpmA = 40B = 48C = 16D = 25
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 40 mmd2​ = 25 mmT = 400 N·mABC0,8 m2 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 40 mm e comprimento 0,8 m; o trecho BC tem diâmetro 25 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 = 40 mm, L1 = 0,8 md2 = 25 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Um eixo vazado transmite 30 kW a 500 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 30 kWN = 500 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 120σy​ = −50MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 120 MPa e σᵧ = −50 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 180 MPa?

σx = 120 MPaσy = −50 MPaσ1 = 180 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 20σy​ = −50τxy​ = −10MPa

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

σx = 20 MPaσy = −50 MPaτxy = −10 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmCobre1 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 25 mmL = 1 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão1 mØ 16 mmAço0,5 mP = 90 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre o alongamento total δ.

P = 90 kNtrecho 1: Ø25 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m25 × 50 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 30 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 = 4 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 10 kN/mc = 360 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 10 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 360 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 10 kN/mc = 360 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 12m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 25 kN/m e k₂ = 12 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 1,81 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.

Velocidade da correia

v = 4,524 m/s

Potência

P = (500 − 100)·4,524 = 1810 W = 1,81 kW

Resposta

P = 1,81 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 1547 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 = 2900·40/48 = 2417 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 2417·16/25 = 1547 rpm

Resposta

nout = 1547 rpm

relação total = 1,875 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 130,4 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·40³) = 31,83 MPa
τBC = 16·400000/(π·25³) = 130,4 MPa

Resposta

τmax = 130,4 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 60 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 30000/52,36 = 573 N·m

Momento polar de inércia

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 572958·20/190984 = 60 MPa

Resposta

τmax = 60 MPa
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 = (120 + (−50))/2 = 35 MPa
R = σ1 − C = 180 − 35 = 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: σθ = −18,77 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

σθ = −15 + 35·0,1736 + −10·0,9848 = −18,77 MPa

Resposta

σθ = −18,77 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,8706 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 = 50·1000/490,9 = 101,9 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 101,9/117000 = 0,0008706 = 870,6 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0008706·1000 mm = 0,8706 mm

Resposta

δ = 0,8706 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,953 mm

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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 183,3 MPa
σ2 = 447,6 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 183,3·1000/100000 = 1,833 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 447,6·500/200000 = 1,119 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,953 mm

Resposta

δ = 2,953 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 128,5 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/1000² = 128510 N = 128,5 kN

Resposta

Pcr = 128,5 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 4,957 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 = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/7,5 = 373,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/373,3² = 4,957 MPa

Resposta

σcr = 4,957 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,4025

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·√(10000·20) = 894,4 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 360/894,4 = 0,4025

Resposta

ζ = 0,4025

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 37 kN/m

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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 25 + 12 = 37 kN/m

Resposta

keq = 37 kN/m

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