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​ = 24N2​ = 36

Um motor de 4 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 36 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 36η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm1440 rpmC = 600 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 125 mm e uma polia de 500 mm cujos centros estão a 600 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 125 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 40 mmL = 3 mφ = ?

Um eixo maciço de latão 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 = 500 N·md = 40 mmL = 3 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 40 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 100 N·mABC2 m1,5 m

Um eixo maciço de alumínio com diâmetro 40 mm está fixo em A. Um torque de 1000 N·m atua em B, a 2 m de A, e um torque de 100 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 1,5 m adiante. Encontre o módulo do ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

d = 40 mmTB = 1000 N·mTC = 100 N·mAB = 2 mBC = 1,5 mG = 26 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 90σy​ = 80τxy​ = −10MPa

Um ponto tem σₓ = 90 MPa, σᵧ = 80 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (tração positiva). O elemento é girado 30° no sentido horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 90 MPaσy = 80 MPaτxy = −10 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 40 mm suporta uma força axial de tração de 140 kN junto com um torque de 750 N·m. Na superfície do eixo, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 40 mmF = 140 kNT = 750 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAço3 mP = 110 kN

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

P = 110 kNd = 12 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmCobre0,5 mØ 20 mmLatão2 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 2 m, latão (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m30 × 100 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 = 6 mE = 200 GPa (aço)b × h = 30 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 110 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 110 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 110 kNn = 2,5L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx25 mm5 ciclos0,6 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 25 mm é seguido, 5 ciclos depois, por um pico de 0,6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 25 mmx5 = 0,6 mmn = 5
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 60m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 30 kN/m e k₂ = 60 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 26,53 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150,8 = 26,53 N·m

Resposta

T1 = 26,53 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 143,6 °

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 da correia

asin(0,3125) = 18,21°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·18,21 = 143,6°

Resposta

θ = 143,6°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 8,768 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·3000/(39000·251327) = 0,153 rad
φ = 0,153·180/π = 8,768°

Resposta

φ = 8,768°
4.Torção de eixos

Resposta: φC = 20,61 °

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 + 1000 = 1100 N·m

Torção de cada trecho

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 1,1 × 10⁶·2000/(26000·251327) = 0,3367 rad
φBC = 100000·1500/(26000·251327) = 0,02296 rad

Torção da extremidade C

φC = 0,3367 + 0,02296 = 0,3596 rad → |φC| = 20,61°

Resposta

φC = 20,61°
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 73,84 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 para a face y′

σy′ = 85 − 5·0,5 − (−10)·(−0,866) = 73,84 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 96,16 MPa, σx′ + σy′ = 170 = σx + σy

Resposta

σy′ = 73,84 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 137,3 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 = F/A = 140000/(π·40²/4) = 140000/1257 = 111,4 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·750000/(π·40³) = 59,68 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 55,7 MPa
R = √(55,7² + 59,68²) = 81,64 MPa
σ1 = C + R = 137,3 MPa
σ2 = C − R = −25,94 MPa

Resposta

σ1 = 137,3 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 14,59 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 110·1000/113,1 = 972,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 972,6/200000 = 0,004863 = 4863 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,004863·3000 mm = 14,59 mm

Resposta

δ = 14,59 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 143,2 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 63,66 MPa
σ2 = 143,2 MPa

Maior tensão

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

σmax = 143,2 MPa

Resposta

σmax = 143,2 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 49,35 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/3000² = 49348 N = 49,35 kN

Resposta

Pcr = 49,35 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 65,36 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 = 2,5·110000 = 275000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·275000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 65,36 mm

Resposta

d = 65,36 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 91,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1179

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 = (1/5)·ln(25/0,6) = 0,7459

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7459/√(39,48 + 0,5564) = 0,1179

Resposta

ζ = 0,1179
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 90 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 + 60 = 90 kN/m

Resposta

keq = 90 kN/m

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