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​ = 160 mmd2​ = 250 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 160 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 250 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 160 mmd2 = 250 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 32C = 60D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 3000 rpm, aciona a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (60 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (72 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 3000 rpmA = 18B = 32C = 60D = 72
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 500 N·mABC1 m0,5 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 0,5 m. Um torque de 500 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 500 N·md1 = 60 mm, L1 = 1 md2 = 50 mm, L2 = 0,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 15 kW a 500 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 15 kWN = 500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = −20τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 140 MPaσy = −20 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 150σy​ = 0τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 150 MPa, σᵧ = 0 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 150 MPaσy = 0 MPaτxy = −20 MPaθ = -30°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmCobre1,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 30 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmAlumínio1 mØ 20 mmAlumínio1 mP = 35 kN

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

P = 35 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1 m, alumínio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 md = 25 mmseção transversal

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

L = 2 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 35 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 35 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 35 kNn = 3L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 50 kN/mc = 820 N·s/mm = 150 kg

Uma massa de 150 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 50 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 820 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 150 kgk = 50 kN/mc = 820 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 100k3​ = 80m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada na mola k₃ = 80 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 15 kN/m e k₂ = 100 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 = 50 kgk1 = 15 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 1769 rpm

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 sem escorregamento

2880·160/250 = 1843 rpm

Com escorregamento

n2 = 1843·0,96 = 1769 rpm

Resposta

n2 = 1769 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 1406 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 = 3000·18/32 = 1688 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1688·60/72 = 1406 rpm

Resposta

nout = 1406 rpm

relação total = 2,133 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 20,37 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
τAB = 16·500000/(π·60³) = 11,79 MPa
τBC = 16·500000/(π·50³) = 20,37 MPa

Resposta

τmax = 20,37 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 30,79 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 15000/52,36 = 286,5 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·286479/(π·50)) = 30,79 mm

Resposta

d = 30,79 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 10,28 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr, o ponto x fica a um ângulo 2θp do eixo σ; o quadrante decorre dos sinais de σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, 140 − −20) = 20,56°

Ângulo no elemento

θp = 10,28°

Resposta

θp = 10,28°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 54,95 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 = −75·−0,866 + −20·0,5 = 54,95 MPa

Resposta

τθ = 54,95 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 423,2 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 = 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

Resposta

ε = 423,2 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 1,989 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 27,85 MPa
σ2 = 111,4 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 27,85·1000/70000 = 0,3979 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 111,4·1000/70000 = 1,592 mm
δ = δ1 + δ2 = 1,989 mm

Resposta

δ = 1,989 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 13,25 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 = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·19175/1000² = 13247 N = 13,25 kN

Resposta

Pcr = 13,25 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 51,37 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 = 3·35000 = 105000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·105000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 51,37 mm

Resposta

d = 51,37 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 116,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1497

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·√(50000·150) = 5477 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 820/5477 = 0,1497

Resposta

ζ = 0,1497

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,889 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 = 15 + 100 = 115 kN/m
keq = 115·80/(115 + 80) = 47,18 kN/m

Frequência natural

ωn = √(47179/50) = 30,72 rad/s
fn = 30,72/(2π) = 4,889 Hz

Resposta

fn = 4,889 Hz

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