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​ = 16N2​ = 20

Um motor de 7,5 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 16 dentes, que engrena com uma engrenagem de 20 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 20η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 16B = 45C = 25D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (16 dentes) no eixo de entrada gira a 1440 rpm e aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (25 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 160 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 1440 rpmA = 16B = 45C = 25nout = 160 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
d = ?T = 1500 N·mL = 0,8 m

Um eixo maciço de aço com 0,8 m de comprimento suporta um torque de 1500 N·m. O ângulo de torção entre suas extremidades não pode passar de 3°. Encontre o menor diâmetro d que atende a esse limite.

T = 1500 N·mL = 0,8 mG = 80 GPaφallow = 3°
d = mm
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?15 kW, 1800 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 15 kW a 1800 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,5 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 15 kWN = 1800 rpmdi/do = 0,5τallow = 40 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 70σy​ = 40τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 70 MPa, σᵧ = 40 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 70 MPaσy = 40 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 130σy​ = −60τxy​ = 50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 130 MPa, σᵧ = −60 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 130 MPaσy = −60 MPaτxy = 50 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAço1 mP = 85 kN

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

P = 85 kNd = 12 mmL = 1 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmAlumínio1,5 mØ 16 mmAço1,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1,5 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 1,5 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 m25 × 60 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 95 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 95 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 95 kNn = 2,5L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 25 kN/mc = 180 N·s/mm = 50 kg

Uma massa de 50 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 25 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 180 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 50 kgk = 25 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 80k3​ = 40m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada na mola k₃ = 40 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 5 kN/m e k₂ = 80 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 = 5 kN/mk2 = 80 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 49,39 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 = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Resposta

T1 = 49,39 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 80

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 1440·16/45 = 512 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 25·512/160 = 80

Resposta

ND = 80
3.Torção de eixos

Resposta: d = 41,33 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.

Momento polar necessário

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 3·π/180 = 0,05236 rad
J = TL/(Gφ) = 1,5 × 10⁶·800/(80000·0,05236) = 286479 mm⁴

Diâmetro

d = (32J/π)1/4 = 41,33 mm

Resposta

d = 41,33 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

4.Torção de eixos

Resposta: do = 22,11 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 = 15000/188,5 = 79,58 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 79,58 N·m = 79577 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·79577/(π·40·0,9375)) = 22,11 mm
di = 0,5·22,11 = 11,05 mm

Resposta

do = 22,11 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 21,64 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −34,72 °

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·−40, 70 − 40) = −69,44°

Ângulo no elemento

θp = −34,72°

Resposta

θp = −34,72°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 125,8 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 = 35 + 95·0,5 + 50·0,866 = 125,8 MPa

Resposta

σθ = 125,8 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 3758 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 85·1000/113,1 = 751,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 751,6/200000 = 0,003758 = 3758 µε

Resposta

ε = 3758 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 373 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 59,68 MPa
σ2 = 373 MPa

Maior tensão

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

σmax = 373 MPa

Resposta

σmax = 373 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 17,62 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 = 0,7·2500 = 1750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·78125/1750² = 17624 N = 17,62 kN

Resposta

Pcr = 17,62 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 89,1 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 = 2,5·95000 = 237500 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·237500·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 89,1 mm

Resposta

d = 89,1 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 134,7, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,0805

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·√(25000·50) = 2236 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 180/2236 = 0,0805

Resposta

ζ = 0,0805

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,712 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 = 5 + 80 = 85 kN/m
keq = 85·40/(85 + 40) = 27,2 kN/m

Frequência natural

ωn = √(27200/50) = 23,32 rad/s
fn = 23,32/(2π) = 3,712 Hz

Resposta

fn = 3,712 Hz

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