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​ = 18N2​ = 40

Um motor de 7,5 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 18 dentes, que engrena com uma engrenagem de 40 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 7,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 18N2 = 40η = 97%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 48B = 72C = 16D = 32

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (48 dentes), no eixo de entrada girando a 1440 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (16 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (32 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1440 rpmA = 48B = 72C = 16D = 32
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d = 12 mmT = 40 N·m200 mmφ = 8,66°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 12 mm é torcido por um torque de 40 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 200 mm giram 8,66° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 40 N·md = 12 mmL = 200 mmφ = 8,66°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
d = 50 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 2000 N·mABC2 m3 m

Um eixo maciço de aço com diâmetro 50 mm está fixo em A. Um torque de 200 N·m atua em B, a 2 m de A, e um torque de 2000 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 3 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 50 mmTB = 200 N·mTC = 2000 N·mAB = 2 mBC = 3 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 60σy​ = 30τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície superior do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 30 mm suporta um momento fletor de 300 N·m junto com um torque de 2000 N·m. Na superfície superior, onde a tensão de flexão é de tração e máxima, encontre a maior tensão principal σ1.

d = 30 mmM = 300 N·mT = 2000 N·m
σ1 = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
300 kNØ2570 GPaØ100/50400 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 70 GPa). Ambos têm 400 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 300 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 300 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmCobre0,5 mØ 12 mmLatão0,5 mP = 80 kN

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

P = 80 kNtrecho 1: Ø35 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 m25 × 60 mmseção transversal

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1 md = 25 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 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx30 mm2 ciclos4,5 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 30 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 4,5 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 30 mmx2 = 4,5 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 80k2​ = 10k3​ = 30m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada na mola k₃ = 30 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 80 kN/m e k₂ = 10 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 = 5 kgk1 = 80 kN/mk2 = 10 kN/mk3 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 160,8 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/100,5 = 74,6 N·m

Torque de saída

T2 = 74,6·40/18·0,97 = 160,8 N·m

Resposta

T2 = 160,8 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 480 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 = 1440·48/72 = 960 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 960·16/32 = 480 rpm

Resposta

nout = 480 rpm

relação total = 3 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: G = 26 GPa

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 e ângulo

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 8,66·π/180 = 0,1511 rad

Módulo de cisalhamento

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·200/(2036·0,1511) = 26000 MPa
G = 26 GPa

Resposta

G = 26 GPa

Compare: aço ≈ 80 GPa, latão ≈ 39 GPa, alumínio ≈ 26 GPa.

4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 89,64 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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 2000 N·m
TAB = TC + TB = 2000 + 200 = 2200 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 2200 N·m
τmax = 16·2,2 × 10⁶/(π·50³) = 89,64 MPa

Resposta

τmax = 89,64 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 42,72 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((60 − 30)/2)² + 40²) = 42,72 MPa

Resposta

τmax = 42,72 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σ1 = 438,1 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) = 32·300000/(π·30³) = 113,2 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·2000000/(π·30³) = 377,3 MPa
στxyCσ1​σ2​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = 56,59 MPa
R = √(56,59² + 377,3²) = 381,5 MPa
σ1 = C + R = 438,1 MPa
σ2 = C − R = −324,9 MPa

Resposta

σ1 = 438,1 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,2351 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·5890 = 5,105 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 300000·400/5,105 × 10⁸ = 0,2351 mm

Resposta

δ = 0,2351 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 3,892 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 83,15 MPa
σ2 = 707,4 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 83,15·500/117000 = 0,3553 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 707,4·500/100000 = 3,537 mm
δ = δ1 + δ2 = 3,892 mm

Resposta

δ = 3,892 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 139,9 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 = 60·25³/12 = 78125 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/1050² = 139875 N = 139,9 kN

Resposta

Pcr = 139,9 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 6,747 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/6,25 = 320

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/320² = 6,747 MPa

Resposta

σcr = 6,747 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1493

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 = (1/2)·ln(30/4,5) = 0,9486

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,9486/√(39,48 + 0,8998) = 0,1493

Resposta

ζ = 0,1493
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 10,68 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 = 80 + 10 = 90 kN/m
keq = 90·30/(90 + 30) = 22,5 kN/m

Frequência natural

ωn = √(22500/5) = 67,08 rad/s
fn = 67,08/(2π) = 10,68 Hz

Resposta

fn = 10,68 Hz

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