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​ = 150 mmd2​ = 500 mm960 rpmn2​ = ?

Uma polia de 150 mm a 960 rpm aciona uma polia de 500 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 960 rpmd1 = 150 mmd2 = 500 mms = 3 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm1440 rpmC = 1200 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 200 mm e uma polia de 400 mm cujos centros estão a 1200 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 200 mmd2 = 400 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 25 mmT = 100 N·mABC1,5 m2 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 1,5 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 2 m. Um torque de 100 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 100 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,5 md2 = 25 mm, L2 = 2 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 75 kW a 1000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 75 kWN = 1000 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = 110τxy​ = 60MPa

Um ponto tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = 110 MPa e τₓᵧ = 60 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 = 140 MPaσy = 110 MPaτxy = 60 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = 50τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −10 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 35° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −10 MPaσy = 50 MPaτxy = −40 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmAlumínio1,5 mP = 10 kN

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

P = 10 kNd = 16 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø4070 GPaØ80/50400 mm

Uma haste de aço (diâmetro 40 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 250 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 100 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 250 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 md = 20 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 30 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 5 kN/mζ = 0,45m = 20 kg

Uma massa de 20 kg sobre uma mola com rigidez de 5 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 20 kgk = 5 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 100k3​ = 15m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada na mola k₃ = 15 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 20 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 = 20 kgk1 = 20 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 279,4 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

960·150/500 = 288 rpm

Com escorregamento

n2 = 288·0,97 = 279,4 rpm

Resposta

n2 = 279,4 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 170,4 °

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(0,08333) = 4,78°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·4,78 = 170,4°

Resposta

θ = 170,4°
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 7,733 °

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·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 100000·1500/(39000·3,106 × 10⁶) = 0,001238 rad
φBC = 100000·2000/(39000·38350) = 0,1337 rad

Torção total

φC = 0,001238 + 0,1337 = 0,135 rad = 7,733°

Resposta

φC = 7,733°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 45,01 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·716197/(π·40)) = 45,01 mm

Resposta

d = 45,01 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θs = −7,018 °

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 = 60/61,85 = 0,9701, sin 2θs = −15/61,85 = −0,2425
2θs = atan2(−15, 60) = −14,04°

Ângulo no elemento

θs = −7,018°
verificação: θs − θp = −7,018 − 37,98 = −45°

Resposta

θs = −7,018°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −27,85 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 = 20 + −30·0,342 + −40·0,9397 = −27,85 MPa

Resposta

σθ = −27,85 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 710,5 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 10·1000/201,1 = 49,74 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 49,74/70000 = 0,0007105 = 710,5 µε

Resposta

ε = 710,5 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 582,2 kN

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.

Áreas

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·1257 + 70·10³·3063 = 4,657 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,00125, 0,001429) = 0,00125 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,00125·4,657 × 10⁸ = 582176 N = 582,2 kN

Resposta

Pmax = 582,2 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 2,481 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·2500 = 2500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/2500² = 2481 N = 2,481 kN

Resposta

Pcr = 2,481 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 4,318 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 = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/7,5 = 400

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Resposta

σcr = 4,318 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,247 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 = √(5000/20) = 15,81 rad/s
fn = 15,81/(2π) = 2,516 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,516·√(1 − 0,45²) = 2,247 Hz

Resposta

fd = 2,247 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,109 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 = 20 + 100 = 120 kN/m
keq = 120·15/(120 + 15) = 13,33 kN/m

Frequência natural

ωn = √(13333/20) = 25,82 rad/s
fn = 25,82/(2π) = 4,109 Hz

Resposta

fn = 4,109 Hz

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