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​ = 40N2​ = 60

Um motor de 4 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 40 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 = 1450 rpmN1 = 40N2 = 60η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 24C = 25D = 48

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (24 dentes). A engrenagem C (25 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (48 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 12B = 24C = 25D = 48
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 400 N·md = 30 mmL = 1,5 mφ = ?

Um eixo maciço de aço está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 400 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 75 kW a 1800 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 75 kWN = 1800 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −40σy​ = 30τxy​ = −30MPa

Um ponto tem σₓ = −40 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Encontre o ângulo θs, entre −90° e 90°, do eixo x até a normal do plano em que a tensão de cisalhamento tem seu valor máximo positivo +R (cisalhamento positivo no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = −40 MPaσy = 30 MPaτxy = −30 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície superior do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 25 mm suporta um momento fletor de 500 N·m junto com um torque de 100 N·m. Na superfície superior, onde a tensão de flexão é de tração e máxima, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 25 mmM = 500 N·mT = 100 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmAlumínio1 mP = 75 kN

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

P = 75 kNd = 30 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
30 kN12600 mm300 mmØ30Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de alumínio (diâmetro 60 mm, comprimento 300 mm, E = 70 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, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø60 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 m30 × 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 5 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 5 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 5 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 4 kN/mζ = 0,35m = 12 kg

Uma massa de 12 kg sobre uma mola com rigidez de 4 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 12 kgk = 4 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 25m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 30 kN/m e k₂ = 25 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 37,93 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Torque de saída

T2 = 26,34·60/40·0,96 = 37,93 N·m

Resposta

T2 = 37,93 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 377,6 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 = 1450·12/24 = 725 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 725·25/48 = 377,6 rpm

Resposta

nout = 377,6 rpm

relação total = 3,84 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 5,404 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1500/(80000·79522) = 0,09431 rad
φ = 0,09431·180/π = 5,404°

Resposta

φ = 5,404°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 34,35 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 75000/188,5 = 397,9 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·397887/(π·50)) = 34,35 mm

Resposta

d = 34,35 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θs = 65,3 °

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​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr o ponto do topo (+R) está a 90° do ponto principal σ₁; no elemento isso corresponde a 45°.

cos 2θs = −30/46,1 = −0,6508, sin 2θs = −(−35)/46,1 = 0,7593
2θs = atan2(35, −30) = 130,6°

Ângulo no elemento

θs = 65,3°
verificação: θs − θp = 65,3 − (−69,7) = 135°

Resposta

θs = 65,3°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 166,2 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.

Tensões na superfície

σ = 32M/(πd³) = 32·500000/(π·25³) = 325,9 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·100000/(π·25³) = 32,59 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 163 MPa
R = √(163² + 32,59²) = 166,2 MPa

Resposta

τmax = 166,2 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 1516 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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 75·1000/706,9 = 106,1 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 106,1/70000 = 0,001516 = 1516 µε

Resposta

ε = 1516 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 7,818 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 = 200000·706,9/600 = 235619 N/mm
k₂ = 70000·2827/300 = 659734 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 30000·659734/895354 = 22105 N

Tensão

σ2 = 22105/2827 = 7,818 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 7,818 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,553 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·5000 = 10000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/10000² = 3553 N = 3,553 kN

Resposta

Pcr = 3,553 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 16,41 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 = 2,5·5000 = 12500 N
KL = 0,5·1500 = 750 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·12500·750²/(π³·200000))^(1/4) = 16,41 mm

Resposta

d = 16,41 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 182,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,722 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.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(4000/12) = 18,26 rad/s
fn = 18,26/(2π) = 2,906 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,906·√(1 − 0,35²) = 2,722 Hz

Resposta

fd = 2,722 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 55 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 = 30 + 25 = 55 kN/m

Resposta

keq = 55 kN/m

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