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​ = 100 mmd2​ = 315 mm1450 rpmn2​ = ?

Uma polia de 100 mm a 1450 rpm aciona uma polia de 315 mm por uma correia com 1 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1450 rpmd1 = 100 mmd2 = 315 mms = 1 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 15nr​ = ?Np​ = 12porta-satélites fixo

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 15 dentes e cada satélite tem 12 dentes. O porta-satélites é mantido fixo e a solar é acionada a 1500 rpm. Encontre a rotação nr da coroa (em módulo).

Ns = 15Np = 12ns = 1500 rpm
nr = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 30 mmL = 1,5 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 = 750 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 50 mm, di​ = 25 mm

Um eixo vazado transmite 15 kW a 300 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 15 kWN = 300 rpmdo = 50 mmdi = 25 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 30σy​ = −50τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 30 MPa, σᵧ = −50 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 = 30 MPaσy = −50 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 0σy​ = 70τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 0 MPa, σᵧ = 70 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido anti-horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = 0 MPaσy = 70 MPaτxy = −20 MPaθ = 45°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12400 mm200 mmØ20Ø30δ = 0,25 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de latão (diâmetro 30 mm, comprimento 200 mm, E = 100 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,25 mm no total.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø30 mm, 200 mm, E = 100 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmLatão1 mØ 16 mmAlumínio0,5 mP = 35 kN

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

P = 35 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 0,5 m, alumínio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 20 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 = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 110 kNL = 2,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. 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 = 2,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 80 kN/mζ = 0,35m = 500 kg

Uma massa de 500 kg sobre uma mola com rigidez de 80 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 500 kgk = 80 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 10m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 12 kN/m e k₂ = 10 kN/m. A massa permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 5 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 455,7 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

1450·100/315 = 460,3 rpm

Com escorregamento

n2 = 460,3·0,99 = 455,7 rpm

Resposta

n2 = 455,7 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nr = 576,9 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·12 = 39

Equação de Willis com o porta-satélites fixo

Com nc = 0 a solar aciona a coroa através dos satélites, que funcionam como engrenagens intermediárias.

nr = −ns·Ns/Nr = −1500·15/39 = −576,9 rpm
|nr| = 576,9 rpm

Resposta

nr = 576,9 rpm

A coroa gira no sentido oposto ao da solar.

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 20,78 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1500/(39000·79522) = 0,3627 rad
φ = 0,3627·180/π = 20,78°

Resposta

φ = 20,78°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 20,75 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.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 15000/31,42 = 477,5 N·m

Momento polar de inércia

J = π(50⁴ − 25⁴)/32 = 575243 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 477465·25/575243 = 20,75 MPa

Resposta

τmax = 20,75 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 18,43 °

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, 30 − −50) = 36,87°

Ângulo no elemento

θp = 18,43°

Resposta

θp = 18,43°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = 35 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 = −−35·1 + −20·0 = 35 MPa

Resposta

τθ = 35 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 27,19 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

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(100000·706,9) = 2,829 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/9,196 × 10⁻⁶ = 27187 N = 27,19 kN

Resposta

P = 27,19 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 174,1 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 = 27,85 MPa
σ2 = 174,1 MPa

Maior tensão

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

σmax = 174,1 MPa

Resposta

σmax = 174,1 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,515 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 = 0,7·3000 = 2100 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/2100² = 3515 N = 3,515 kN

Resposta

Pcr = 3,515 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 91,78 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 = 2·2500 = 5000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·275000·5000²/(π³·200000))^(1/4) = 91,78 mm

Resposta

d = 91,78 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 217,9, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,886 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 = √(80000/500) = 12,65 rad/s
fn = 12,65/(2π) = 2,013 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,013·√(1 − 0,35²) = 1,886 Hz

Resposta

fd = 1,886 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 10,56 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

Molas lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 12 + 10 = 22 kN/m

Frequência natural

ωn = √(22000/5) = 66,33 rad/s
fn = 66,33/(2π) = 10,56 Hz

Resposta

fn = 10,56 Hz

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