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​ = 80 mmd2​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

Uma polia de 80 mm a 1450 rpm aciona uma polia de 250 mm por uma correia com 2 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1450 rpmd1 = 80 mmd2 = 250 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm1450 rpmC = 600 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 150 mm a 1450 rpm a uma polia de 315 mm; os centros estão a 600 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,35 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1200 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 1450 rpmd2 = 315 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 1200 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 50 mmL = 0,5 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 = 500 N·md = 50 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 80 mm, di​ = 60 mm

Um eixo vazado transmite 75 kW a 750 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 75 kWN = 750 rpmdo = 80 mmdi = 60 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 10σy​ = 70τxy​ = 50MPa

Um ponto tem σₓ = 10 MPa, σᵧ = 70 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). O elemento é girado 30° no sentido horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 10 MPaσy = 70 MPaτxy = 50 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 80σy​ = 30τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 80 MPa, σᵧ = 30 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 = 80 MPaσy = 30 MPaτxy = 40 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
80 kNØ2570 GPaØ100/70800 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 70 GPa). Ambos têm 800 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 80 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 80 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmAlumínio2 mØ 20 mmAço1,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNtrecho 1: Ø25 mm, 2 m, alumínio (E = 70 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1,5 m, aço (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m40 × 80 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 130 kNL = 5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 130 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 130 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx50 mm3 ciclos23,5 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 50 mm é seguido, 3 ciclos depois, por um pico de 23,5 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 50 mmx3 = 23,5 mmn = 3
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 40m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 10 kN/m e k₂ = 40 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 = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 454,7 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

1450·80/250 = 464 rpm

Com escorregamento

n2 = 464·0,98 = 454,7 rpm

Resposta

n2 = 454,7 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 8,654 kW

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 de abraçamento

θ = 2,866 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e1,003 = 2,726, T₂ = 1200/2,726 = 440,1 N

Potência

P = (1200 − 440,1)·11,39 = 8,654 kW

Resposta

P = 8,654 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 0,5986 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·500/(39000·613592) = 0,01045 rad
φ = 0,01045·180/π = 0,5986°

Resposta

φ = 0,5986°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 13,9 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 75000/78,54 = 954,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(80⁴ − 60⁴)/32 = 2,749 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 954930·40/2,749 × 10⁶ = 13,9 MPa

Resposta

τmax = 13,9 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 98,3 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 para a face y′

σy′ = 40 − (−30)·0,5 − 50·(−0,866) = 98,3 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = −18,3 MPa, σx′ + σy′ = 80 = σx + σy

Resposta

σy′ = 98,3 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 101,1 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.

Equação de transformação

σθ = 55 + 25·0,342 + 40·0,9397 = 101,1 MPa

Resposta

σθ = 101,1 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,1691 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 − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·4006 = 3,786 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 80000·800/3,786 × 10⁸ = 0,1691 mm

Resposta

δ = 0,1691 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 7,797 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 193,5 MPa
σ2 = 302,4 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 193,5·2000/70000 = 5,529 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 302,4·1500/200000 = 2,268 mm
δ = δ1 + δ2 = 7,797 mm

Resposta

δ = 7,797 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 5,849 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 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·6000 = 12000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·426667/12000² = 5849 N = 5,849 kN

Resposta

Pcr = 5,849 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 175,9 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 = 2,5·130000 = 325000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·325000·10000²/(π³·70000))^(1/4) = 175,9 mm

Resposta

d = 175,9 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 227,3, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,04002

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 = (1/3)·ln(50/23,5) = 0,2517

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2517/√(39,48 + 0,06334) = 0,04002

Resposta

ζ = 0,04002
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 5,033 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 = 10 + 40 = 50 kN/m

Frequência natural

ωn = √(50000/50) = 31,62 rad/s
fn = 31,62/(2π) = 5,033 Hz

Resposta

fn = 5,033 Hz

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