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
Tw​ = ?z = 1, 960 rpm

Um motor de 0,55 kW a 960 rpm aciona um parafuso sem-fim com 1 entrada(s). A coroa tem 72 dentes e a transmissão tem eficiência de 65%. Encontre o torque de saída Tw no eixo da coroa.

z = 1Nw = 72n = 960 rpmP = 0,55 kWη = 65%
Tw = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm1440 rpmC = 1200 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 100 mm e uma polia de 300 mm cujos centros estão a 1200 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 100 mmd2 = 300 mmC = 1200 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 25 mmL = 0,5 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 25 mmL = 0,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?10 kW, 1000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 10 kW a 1000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,8 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 10 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,8τallow = 50 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −10σy​ = 0τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −10 MPa, σᵧ = 0 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 = −10 MPaσy = 0 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
55°D = 800 mm, t = 15 mm, p = 2 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 800 mm e espessura de parede de 15 mm contém gás a uma pressão manométrica de 2 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 55° do eixo do cilindro. Encontre a tensão normal σn que atua através da costura de solda.

D = 800 mmt = 15 mmp = 2 MPaα = 55°
σn = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
100 kNØ25110 GPaØ120/50400 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 110 GPa). Ambos têm 400 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 100 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 100 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 400 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão1 mØ 20 mmCobre1 mP = 90 kN

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

P = 90 kNtrecho 1: Ø25 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 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 = 5 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 40 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço 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 = 200 GPa (aço)d = 40 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 50 kN/mc = 380 N·s/mm = 8 kg

Uma massa de 8 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 50 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 380 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 8 kgk = 50 kN/mc = 380 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 30k3​ = 60m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada na mola k₃ = 60 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 12 kN/m e k₂ = 30 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 = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tw = 256 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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 960·1/72 = 13,33 rpm

Torque de saída

ωw = 2π·13,33/60 = 1,396 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,65·550/1,396 = 256 N·m

Resposta

Tw = 256 N·m
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: φ = 21,55 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 750·1000·500/(26000·38350) = 0,3761 rad
φ = 0,3761·180/π = 21,55°

Resposta

φ = 21,55°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 25,45 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 = 10000/104,7 = 95,49 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 95,49 N·m = 95493 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·95493/(π·50·0,5904)) = 25,45 mm
di = 0,8·25,45 = 20,36 mm

Resposta

do = 25,45 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 21,35 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −48,56 °

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, −10 − 0) = −97,13°

Ângulo no elemento

θp = −48,56°

Resposta

θp = −48,56°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σn = 35,44 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 2·400/15 = 53,33 MPa
σa = pr/(2t) = 26,67 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

σn = 26,67·sin²55° + 53,33·cos²55° = 35,44 MPa

Resposta

σn = 35,44 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,03552 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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·9346 = 1,126 × 10⁹ N

Encurtamento

δ = 100000·400/1,126 × 10⁹ = 0,03552 mm

Resposta

δ = 0,03552 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 286,5 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 183,3 MPa
σ2 = 286,5 MPa

Maior tensão

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

σmax = 286,5 MPa

Resposta

σmax = 286,5 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 12,59 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 = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·78125/3500² = 12589 N = 12,59 kN

Resposta

Pcr = 12,59 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 21,93 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/300² = 21,93 MPa

Resposta

σcr = 21,93 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,3004

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·√(50000·8) = 1265 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 380/1265 = 0,3004

Resposta

ζ = 0,3004

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,003 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 = 12 + 30 = 42 kN/m
keq = 42·60/(42 + 60) = 24,71 kN/m

Frequência natural

ωn = √(24706/25) = 31,44 rad/s
fn = 31,44/(2π) = 5,003 Hz

Resposta

fn = 5,003 Hz

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